Как быть с усадкой монолита
Доклад заведующего кафедрой Брестского политехнического института, кандидата технических наук В. В. Тура "Применение напрягающего бетона в сборно-монолитных конструкциях перекрытий и покрытий", сделанный им 22 сентября на международной научно-технической конференции "Многоэтажные жилые здания с монолитными и сборно-монолитными каркасами. Новые опалубочные системы, технологии и опыт строительства".
В практике строительства сборно-монолитные конструкции, сочетающие в одном конструктивном решении преимущества как сборного, так и монолитного железобетона, представлены достаточно широко и разнообразно. В зависимости от принятого конструктивного решения монолитный бетон, применяемый для объединения сборных элементов, может располагаться в пазах по контуру плит, на их поверхности либо в сочетании первых двух вариантов. При использовании для омоноличивания традиционных бетонов на портландцементном вяжущем в составных сечениях возникает дополнительное напряженно-деформированное состояние, вызванное действием длительных процессов (усадкой и ползучестью). Не оказывая существенного влияния на прочность конструкции, длительные процессы способствуют снижению ее эксплуатационных характеристик, в первую очередь трещиностойкости и жесткости. Длительные процессы в статически неопределимых системах приводят к появлению дополнительных усилий, зачастую значительной величины. Конструктивно-технологические мероприятия, направленные на исключение неблагоприятного влияния усадки, оказываются на практике малоэффективными.
Существенно повысить эксплуатационные характеристики сборно-монолитных конструкций становится возможным при выполнении монолитной части из напрягающего бетона. Отличительной особенностью напрягающего бетона является то, что в процессе твердения он претерпевает объемное расширение. При ограничении деформаций расширения (твердение в стесненных условиях) в напрягающем бетоне появляются собственные напряжения сжатия (самонапряжения). По существу появляется возможность выполнить предварительное напряжение конструкции без дополнительных затрат на механическое натяжение арматуры.
Установлено, что величина связанных деформаций напрягающего бетона, а как следствие и его самонапряжение, зависят от ряда конструктивно-технологических факторов, основными из которых являются марка энергоактивности напрягающего цемента и его расход в составе бетонной смеси; степень ограничения деформаций расширения, характеризуемая жесткостью ограничивающей связи; условия хранения бетона в конструкции.
Выявлены основные закономерности развития процесса самонапряжения в сборно-монолитных конструкциях с применением напрягающего бетона, доведенные на базе единого методологического подхода до расчетных зависимостей, позволяющих оценить исходное напряженно-деформированное состояние конструкции на стадии ее возведения.
При применении напрягающего бетона в сборно-монолитной конструкции на стадии возведения формируется напряженно-деформированное состояние, диаметрально противоположное тому, что имеет место при усадке в традиционных конструкциях.
При применении же напрягающего бетона в качестве монолитной части плоскостных конструкций, в частности перекрытий и покрытий, на стадии расширения могут быть достигнуты дополнительные эффекты, выражающиеся в изменении исходной геометрии конструкции, когда перекрытие из плоского превращается в пространственную оболочку с малой стрелой подъема.
Вместе с тем следует постоянно помнить о том, что при применении напрягающего бетона на основе активных цементов может быть достигнут как положительный, так и отрицательный результат. Поэтому проектировать такие конструкции, исходя из простой замены портландцементного бетона на напрягающий, как это делают в случае обеспечения непроницаемости конструкции, нельзя.
В качестве иллюстрации представим а priori (без расчетного обоснования) некоторые критерии, исходя из которых следует выполнить проектирование сборно-монолитных конструкций, в частности перекрытий различного назначения с монолитной частью из напрягающего бетона.
При анализе сборная часть конструкции рассматривается как пассивный элемент (PAS), который условно не изменяет своего объема в процессе возведения (принимается допущение, что усадка в сборном элементе полностью завершена). Монолитная часть, увеличивающая свой начальный объем, а следовательно, и линейные размеры, рассматривается как активный элемент (АСТ).
В результате расширения напрягающего бетона, расположенного по контуру сборного элемента, активная часть отделяется от пассивной, в стыке образуется и раскрывается трещина, конструкция становится непригодной для восприятия нагрузки (рис. 1, а). Более благоприятная ситуация наблюдается, когда сборно-монолитная конструкция располагается между упорами, обладающими конечной жесткостью (рис. 1, б), функцию которых выполняют, например, стены. Однако и в таких случаях использование напрягающих бетонов, даже с высокой маркой по самонапряжению, не дает ощутимого эффекта ввиду значительной жесткости ограничивающих связей. При последующей усадке самонапряжение монолитного бетона может быть в значительной степени или полностью погашено.
В противоположной ситуации, когда монолитный бетон располагается внутри сборной части (рис. 1, в), при расширении достигается обжатие контакта между монолитным и сборным бетоном. Пассивный контур сдерживает расширение, подвергаясь в свою очередь растяжению, что может привести к его трещинообразованию. Экспериментальные исследования показали, что в этом случае обязательным условием работоспособности такого перекрытия является наличие предварительного напряжения в элементах сборного контура. Несмотря на то что это несколько снижает эффективность решения, монолитная самонапряженная плита способна воспринимать значительные по величине нагрузки, работая практически без расчетного армирования. Однако при достаточно мощном внешнем ограничении со стороны сборного контура достигнутый уровень самонапряжения, оцениваемый по реакции ограничения, может быть, как и в случае жестких упоров, сравнительно легко погашен при последующей усадке монолитного бетона.
Наиболее рациональным является случай, показанный на рис. 1 (вариант 3), когда начальное преднапряжение, достигаемое при расширении активной части, испытывают все элементы перекрытия.
В представленном решении напрягающий бетон располагают не только по контуру, но и в виде активной вставки в средней части ячейки перекрытия, ограниченной сеткой колонн. В этом случае критерий, при выполнении которого обязательно будет достигнуто предварительное напряжение всего перекрытия, может быть записан следующим образом: L a1 и L a2 (cм. рис. 1), где L a1 и L a2 - соответственно линейные размеры активных элементов в средней части перекрытия и на контуре; дельта "1" и дельта "2" - абсолютные приращения линейных размеров активных элементов к моменту завершения расширения напрягающего бетона.
При использовании напрягающего бетона в виде монолитного слоя, укладываемого по поверхности сборной части, активный элемент располагается, как показано на рис. 2.
Рассмотрим наиболее общий случай, когда сборно-монолитная плоскостная конструкция имеет активную монолитную плиту на всей поверхности пассивной сборной части сечения (составленной из отдельных ранее изготовленных плит либо представляющей собой одну неразрезную плиту). При отсутствии сцепления между сборной плитой и монолитным неармированным бетоном расширение последнего протекает практически свободно, не вызывая расчетного самонапряжения в монолитном бетоне и дополнительных напряжений в сборной части сечения. При размещении в монолитной плите арматуры, последняя, являясь ограничением деформаций расширения, приводит к самонапряжению только монолитного бетона (рис. 2).
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 41 за 1998 год в рубрике бетон
