Металлозамещение в строительстве
Исходя из технико-экономической целесообразности нового строительства, наряду с прогрессивными конструктивными решениями должны применяться материалы и конструкции с высокими эксплуатационными свойствами, обеспечивающими по сравнению с существующими аналогами снижение материалоемкости, энергоемкости, трудоемкости.
Если следовать этому правилу, то каждый новый строительный проект должен характеризоваться наиболее эффективными конструктивными решениями и набором соответствующих им строительных материалов и конструкций.
В течение многих лет деятельность большинства советских предприятий строительных материалов протекала в отрыве от деятельности строительных организаций. Они принадлежали к различным ведомствам, к тому же широкое распространение строительства по типовым проектам не требовало их тесной связи. В силу сложившихся обстоятельств новые конструктивные решения должны были как-то увязываться с рынком строительных материалов.
Из традиционно распространенных в Республике Беларусь материалов, имеющих реальную перспективу применения в будущем, можно выделить бетон. Это связано не только с наличием местного сырья, но и с многообразием возможностей его применения, например в условиях больших нагрузок, при низких и высоких температурах, в качестве теплоизоляционного и декоративного материала.
Сначала бетон приглянулся строителям как прочный искусственный камень, который можно изготовить без особого труда, определенной формы и в нужном месте. Затем бетон стали усиливать стальной арматурой, расширив тем самым его возможности при работе на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, срез.
Наряду с положительными свойствами бетона и железобетона существуют и отрицательные, как то: ползучесть, усадка, образование трещин в растянутой зоне; сравнительно длительный срок достижения проектной прочности; подверженность коррозии, усложняющие широкое применение бетонных и железобетонных конструкций и соответственно повышающие их стоимость.
Если руководствоваться целесообразностью применения стальной арматуры в железобетонных изделиях, то лучше всего ориентироваться на высокие марки бетона, ибо максимальный процент армирования зависит от расчетных сопротивлений бетона и арматуры.
Необходимо отметить, что улучшением качественных характеристик бетонов и снижением затрат на их производство занимаются и у нас в стране, и за рубежом. Работы ведутся в разных направлениях. Это и введение добавок и минеральных наполнителей, позволяющих изготавливать бетонные изделия при низких температурах и с меньшим расходом цемента, и ускорение твердения бетона, и использование отходов производства, и повышение долговечности изделий.
Естественно, что в результате бетон может содержать компоненты, вызывающие активную коррозию стальной арматуры. Мероприятия по ее защите нередко сопровождаются заметным снижением коэффициента условий работы. При изготовлении строительных конструкций из бетонов с добавками лучше обходиться без армирования или изготавливать арматуру из неметаллических материалов.
В технической литературе встречаются упоминания об арматуре из стеклопакетов, не уступающих по прочности высокопрочной стальной арматуре. Помимо этого, такая арматура характеризуется диэлектрическими и антимагнитными свойствами, а также противостоит атмосферной и электрохимической коррозии.
Автором проведено исследование возможности использования шлакоситаллов и каменного литья совместно с бетоном при изготовлении строительных конструкций. Поскольку у нас в стране такие технологии не применяются, вниманию читателей предлагаются краткие сведения о вышеуказанных материалах.
Шлакоситалл получают на основе металлургических шлаков и катализаторов. Важным элементом, влияющим на процесс ситаллизации, является фтор. В зависимости от состава исходных материалов и назначения выпускаемых изделий устанавливается соответствующий режим термообработки. Для получения шлакоситалловой массы используется ванная печь (t = 1 500° С). Общая площадь ее в комплекте с автоматическими загрузчиками шихты и системой теплоконтроля составляет около 150 м2.
Листовой шлакоситалл производят методом проката при непрерывном поточно-механизированном процессе. Хорошо известны шлакоситалловые плиты, производятся также и трубы.
Больше всего технология производства шлакоситаллов напоминает стекольное производство. Поэтому для создания производства шлакоситаллов не потребуется значительных капвложений, а инвестиционный цикл будет непродолжительным.
Каменное литье - сравнительно новый вид строительных материалов. Схема производства каменного литья такова. Сырье (диабаз, базальт, искусственная смесь) поступает на заволочную площадку печи, где подвергается температурному удару и действию высоких температур (1 400-1 500° С). Растрескиваясь, а затем расплавляясь, сырье превращается в однородную подвижную массу (расплав), которая через копильник заливается в предварительно подогретую до вишнево-красного каления земляную форму, помещаемую в туннельную печь для кристаллизации и постепенного охлаждения по определенному режиму. Изделия сложной конфигурации отливаются в закрытых формах, в которые через литники заливается масса с соответствующими прибылями (как при металлургическом литье). Залитая таким образом форма проходит вышеуказанные стадии обработки. Для труб и других тел вращения приемлемо центробежное литье.
Совместное рассмотрение шлакоситаллов и каменного литья здесь не случайно. По ряду физико-механических свойств эти материалы превосходят арматурные стали, что наводит на мысль об их взаимозаменяемости и совместном применении в бетонных конструкциях. Речь идет о химической стойкости и диэлектрических свойствах. Кроме того, их плотность меньше в 2,6-3 раза.
Прочность шлакоситаллов и арматурной стали на сжатие одинакова, а у каменного литья этот показатель в ряде случаев выше. Единственный параметр, по которому сталь в 3-6 раз превосходит шлакоситалл и каменное литье, - предел прочности при статическом изгибе.
Однако деформация шлакоситалла в отличие от стали при нормальных температурных условиях является упругой до момента разрушения, причем модуль упругости не зависит от вида напряженного состояния. Для удовлетворения требований несущей способности бетонных конструкций, армированных шлакоситаллом и каменным литьем, могут быть получены коэффициенты безопасности и условий работы. Вид арматуры, изготовленной из шлакоситаллов и каменного литья, вероятно, зависит от желаемых эксплуатационных характеристик армированных изделий. Несущая арматура может быть жесткой в виде листов, уголков, швеллеров (профили будут зависеть от вида и формы бетонной конструкции). Применение внешнего армирования позволяет извлекать из этого решения дополнительную пользу. Например, листовая арматура из шлакоситаллов или каменного литья может служить защитой от коррозии бетона (СНиП 2.03.11-85, п. 2.1), а также, обеспечивая повышенный момент сопротивления сечения, позволяет успешно решать проблемы, возникающие при работе конструкций покрытий и перекрытий в условиях ограничения прогиба по конструктивным и эстетико-психологическим требованиям (СНиП 2.01.07-85). Минимальные размеры поперечного сечения армированных бетонных элементов, а также снижение их веса могут быть достигнуты путем рационального совместного использования арматуры из шлакоситаллов или каменного литья со стальной арматурой. В результате будет выполнено одно из главных требований - экономичность и снижение массы изделий.
Применение стальной арматуры при этом не ограничивается требованиями, связанными с необходимостью подъема, транспортирования и монтажа изделия. Она также может влиять на несущую способность конструкции.
Изготовление каркасов из шлакоситалловой арматуры и каменного литья может быть осуществлено при помощи стекловолокна с покрытием, защищающим от воздействия гидрата окиси кальция, который присутствует в среде твердеющего портландцементного камня. В качестве антикоррозийного покрытия используется полифенилсилоксановый лак.
Наряду с вязкой каркасов с помощью стекловолокна соединение стержневой арматуры может быть осуществлено и другими способами, например с помощью эмали и припаечных стекол. Процесс спайки осуществляется следующим образом. После нанесения слоя эмалевой пасты место соединения любым способом нагревается до температуры расплавления эмали, которая заливает зазоры между соединяемыми поверхностями. После затвердевания расплава образуется надежное вакуумное соединение. В большинстве случаев температура плавления эмали ниже точки трансформации шлакоситаллов и каменного литья, поэтому в спаях, изготовленных с помощью эмали, появление тепловых напряжений и переокисление металла незначительны.
Допускается применение пасты, изготовленной из порошкообразного стекла. Она наносится тонким слоем на поверхность спаивания и после просушки подвергается оплавлению с образованием сплошного тонкого слоя стекла.
Рассмотрим применение шлакоситалловой арматуры в армобетонной стойке, предназначенной для восприятия нагрузки в агрессивной среде. Строительная конструкция такого назначения обеспечивается арматурой в виде стальных или вязаных каркасов. При этом отдельные стержни продольной арматуры объединяются в пространственный вязаный каркас с помощью хомутов и вязальной проволоки.
Для того чтобы избежать коррозии стали вследствие влияния проникающих газообразных и жидких агрессивных веществ, а также блуждающих токов, требуется нанесение антикоррозийного покрытия на арматуру и создание защиты от блуждающих токов.
Решение этой проблемы в предлагаемой армобетонной стойке осуществляется путем замены стальной продольной арматуры неметаллической из шлакометалла.
При этом стержни стальной поперечной арматуры связываются с продольной посредством стекловолокна, а между собой соединяются электросваркой. На оголовке продольная арматура несколько выступает над поверхностью бетона. В этом зазоре на бетонной поверхности размещается упругая прокладка, например из дерева или резины. Она способна деформироваться (уплотняться) на величину, равную величине деформации продольной арматуры, которая загружается независимо от бетона. После загружения и деформации арматуры прокладка уплотняется и в работу включается бетонный стержень стойки. Разумеется, совместная работа шлакоситалловой арматуры и бетона стойки полностью прогнозируется.
Учитывая, что шлакоситалл и каменное литье дешевле арматурной стали в несколько раз, применение их в новом качестве можно рассматривать как резерв снижения материалоемкости и стоимости строительства.
Николай МЕЛЬНИКОВ
Если следовать этому правилу, то каждый новый строительный проект должен характеризоваться наиболее эффективными конструктивными решениями и набором соответствующих им строительных материалов и конструкций.
В течение многих лет деятельность большинства советских предприятий строительных материалов протекала в отрыве от деятельности строительных организаций. Они принадлежали к различным ведомствам, к тому же широкое распространение строительства по типовым проектам не требовало их тесной связи. В силу сложившихся обстоятельств новые конструктивные решения должны были как-то увязываться с рынком строительных материалов.
Из традиционно распространенных в Республике Беларусь материалов, имеющих реальную перспективу применения в будущем, можно выделить бетон. Это связано не только с наличием местного сырья, но и с многообразием возможностей его применения, например в условиях больших нагрузок, при низких и высоких температурах, в качестве теплоизоляционного и декоративного материала.
Сначала бетон приглянулся строителям как прочный искусственный камень, который можно изготовить без особого труда, определенной формы и в нужном месте. Затем бетон стали усиливать стальной арматурой, расширив тем самым его возможности при работе на сжатие, изгиб, растяжение, кручение, срез.
Наряду с положительными свойствами бетона и железобетона существуют и отрицательные, как то: ползучесть, усадка, образование трещин в растянутой зоне; сравнительно длительный срок достижения проектной прочности; подверженность коррозии, усложняющие широкое применение бетонных и железобетонных конструкций и соответственно повышающие их стоимость.
Если руководствоваться целесообразностью применения стальной арматуры в железобетонных изделиях, то лучше всего ориентироваться на высокие марки бетона, ибо максимальный процент армирования зависит от расчетных сопротивлений бетона и арматуры.
Необходимо отметить, что улучшением качественных характеристик бетонов и снижением затрат на их производство занимаются и у нас в стране, и за рубежом. Работы ведутся в разных направлениях. Это и введение добавок и минеральных наполнителей, позволяющих изготавливать бетонные изделия при низких температурах и с меньшим расходом цемента, и ускорение твердения бетона, и использование отходов производства, и повышение долговечности изделий.
Естественно, что в результате бетон может содержать компоненты, вызывающие активную коррозию стальной арматуры. Мероприятия по ее защите нередко сопровождаются заметным снижением коэффициента условий работы. При изготовлении строительных конструкций из бетонов с добавками лучше обходиться без армирования или изготавливать арматуру из неметаллических материалов.
В технической литературе встречаются упоминания об арматуре из стеклопакетов, не уступающих по прочности высокопрочной стальной арматуре. Помимо этого, такая арматура характеризуется диэлектрическими и антимагнитными свойствами, а также противостоит атмосферной и электрохимической коррозии.
Автором проведено исследование возможности использования шлакоситаллов и каменного литья совместно с бетоном при изготовлении строительных конструкций. Поскольку у нас в стране такие технологии не применяются, вниманию читателей предлагаются краткие сведения о вышеуказанных материалах.
Шлакоситалл получают на основе металлургических шлаков и катализаторов. Важным элементом, влияющим на процесс ситаллизации, является фтор. В зависимости от состава исходных материалов и назначения выпускаемых изделий устанавливается соответствующий режим термообработки. Для получения шлакоситалловой массы используется ванная печь (t = 1 500° С). Общая площадь ее в комплекте с автоматическими загрузчиками шихты и системой теплоконтроля составляет около 150 м2.
Листовой шлакоситалл производят методом проката при непрерывном поточно-механизированном процессе. Хорошо известны шлакоситалловые плиты, производятся также и трубы.
Больше всего технология производства шлакоситаллов напоминает стекольное производство. Поэтому для создания производства шлакоситаллов не потребуется значительных капвложений, а инвестиционный цикл будет непродолжительным.
Каменное литье - сравнительно новый вид строительных материалов. Схема производства каменного литья такова. Сырье (диабаз, базальт, искусственная смесь) поступает на заволочную площадку печи, где подвергается температурному удару и действию высоких температур (1 400-1 500° С). Растрескиваясь, а затем расплавляясь, сырье превращается в однородную подвижную массу (расплав), которая через копильник заливается в предварительно подогретую до вишнево-красного каления земляную форму, помещаемую в туннельную печь для кристаллизации и постепенного охлаждения по определенному режиму. Изделия сложной конфигурации отливаются в закрытых формах, в которые через литники заливается масса с соответствующими прибылями (как при металлургическом литье). Залитая таким образом форма проходит вышеуказанные стадии обработки. Для труб и других тел вращения приемлемо центробежное литье.
Совместное рассмотрение шлакоситаллов и каменного литья здесь не случайно. По ряду физико-механических свойств эти материалы превосходят арматурные стали, что наводит на мысль об их взаимозаменяемости и совместном применении в бетонных конструкциях. Речь идет о химической стойкости и диэлектрических свойствах. Кроме того, их плотность меньше в 2,6-3 раза.
Прочность шлакоситаллов и арматурной стали на сжатие одинакова, а у каменного литья этот показатель в ряде случаев выше. Единственный параметр, по которому сталь в 3-6 раз превосходит шлакоситалл и каменное литье, - предел прочности при статическом изгибе.
Однако деформация шлакоситалла в отличие от стали при нормальных температурных условиях является упругой до момента разрушения, причем модуль упругости не зависит от вида напряженного состояния. Для удовлетворения требований несущей способности бетонных конструкций, армированных шлакоситаллом и каменным литьем, могут быть получены коэффициенты безопасности и условий работы. Вид арматуры, изготовленной из шлакоситаллов и каменного литья, вероятно, зависит от желаемых эксплуатационных характеристик армированных изделий. Несущая арматура может быть жесткой в виде листов, уголков, швеллеров (профили будут зависеть от вида и формы бетонной конструкции). Применение внешнего армирования позволяет извлекать из этого решения дополнительную пользу. Например, листовая арматура из шлакоситаллов или каменного литья может служить защитой от коррозии бетона (СНиП 2.03.11-85, п. 2.1), а также, обеспечивая повышенный момент сопротивления сечения, позволяет успешно решать проблемы, возникающие при работе конструкций покрытий и перекрытий в условиях ограничения прогиба по конструктивным и эстетико-психологическим требованиям (СНиП 2.01.07-85). Минимальные размеры поперечного сечения армированных бетонных элементов, а также снижение их веса могут быть достигнуты путем рационального совместного использования арматуры из шлакоситаллов или каменного литья со стальной арматурой. В результате будет выполнено одно из главных требований - экономичность и снижение массы изделий.
Применение стальной арматуры при этом не ограничивается требованиями, связанными с необходимостью подъема, транспортирования и монтажа изделия. Она также может влиять на несущую способность конструкции.
Изготовление каркасов из шлакоситалловой арматуры и каменного литья может быть осуществлено при помощи стекловолокна с покрытием, защищающим от воздействия гидрата окиси кальция, который присутствует в среде твердеющего портландцементного камня. В качестве антикоррозийного покрытия используется полифенилсилоксановый лак.
Наряду с вязкой каркасов с помощью стекловолокна соединение стержневой арматуры может быть осуществлено и другими способами, например с помощью эмали и припаечных стекол. Процесс спайки осуществляется следующим образом. После нанесения слоя эмалевой пасты место соединения любым способом нагревается до температуры расплавления эмали, которая заливает зазоры между соединяемыми поверхностями. После затвердевания расплава образуется надежное вакуумное соединение. В большинстве случаев температура плавления эмали ниже точки трансформации шлакоситаллов и каменного литья, поэтому в спаях, изготовленных с помощью эмали, появление тепловых напряжений и переокисление металла незначительны.
Допускается применение пасты, изготовленной из порошкообразного стекла. Она наносится тонким слоем на поверхность спаивания и после просушки подвергается оплавлению с образованием сплошного тонкого слоя стекла.
Рассмотрим применение шлакоситалловой арматуры в армобетонной стойке, предназначенной для восприятия нагрузки в агрессивной среде. Строительная конструкция такого назначения обеспечивается арматурой в виде стальных или вязаных каркасов. При этом отдельные стержни продольной арматуры объединяются в пространственный вязаный каркас с помощью хомутов и вязальной проволоки.
Для того чтобы избежать коррозии стали вследствие влияния проникающих газообразных и жидких агрессивных веществ, а также блуждающих токов, требуется нанесение антикоррозийного покрытия на арматуру и создание защиты от блуждающих токов.
Решение этой проблемы в предлагаемой армобетонной стойке осуществляется путем замены стальной продольной арматуры неметаллической из шлакометалла.
При этом стержни стальной поперечной арматуры связываются с продольной посредством стекловолокна, а между собой соединяются электросваркой. На оголовке продольная арматура несколько выступает над поверхностью бетона. В этом зазоре на бетонной поверхности размещается упругая прокладка, например из дерева или резины. Она способна деформироваться (уплотняться) на величину, равную величине деформации продольной арматуры, которая загружается независимо от бетона. После загружения и деформации арматуры прокладка уплотняется и в работу включается бетонный стержень стойки. Разумеется, совместная работа шлакоситалловой арматуры и бетона стойки полностью прогнозируется.
Учитывая, что шлакоситалл и каменное литье дешевле арматурной стали в несколько раз, применение их в новом качестве можно рассматривать как резерв снижения материалоемкости и стоимости строительства.
Николай МЕЛЬНИКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 48 за 1997 год в рубрике металл
