И конструкций

Получение бетонных и железобетонных изделий и конструкций включает следующие технологические этапы: входной контроль качества всех используемых материалов (минерального вяжущего, заполнителей, добавок, воды, арматуры и т.д.); расчет состава бетонной смеси и его ла­бораторную проверку; приготовление заданной бетонной смеси; транспор­тировку ее к месту изготовления конструкции; укладку в форму (опалуб­ку) и уплотнение; твердение бетона; раскрытие формы (снятие опалубки); отправку готового изделия на строительную площадку или склад готовой продукции.

Расчет состава бетонной смеси проводят по ГОСТ 27006 с исполь­зованием графиков и таблиц на основании следующих данных: условий эксплуатации будущей конструкции, с учетом которых подбирают необ­ходимые исходные материалы; показателей их качества; проектируемого класса бетона; пластичности бетонной смеси, которую выбирают в зави­симости от размеров бетонируемой конструкции; густоты армирования; способа уплотнения бетонной смеси. Правильность расчетов проверяют в лабораторных условиях путем изготовления опытных образцов из рассчи­танного состава и контроля их прочности.

По способу изготовления конструкции подразделяют на монолит­ные и сборные. При бетонировании монолитных конструкций - фунда­ментов, гидротехнических сооружений, покрытий дорог бетонную смесь приготавливают в заводских условиях и транспортируют на строительную площадку, где производятся остальные технологические операции. Сбор­ные конструкции получают на специализированных заводах (ЖБИ, ЖБК, КСМ). В зависимости от формы и размеров они могут быть линейными- колонны, ригели, сваи; плоскостными - плиты покрытия, панели стен, перегородок; блочными - фундаменты, стены подвалов; пространствен­ными - санитарные кабины, элементы шахт лифтов, силосов, колодцев (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Сборные железобетонные конструкции: 1 - колонна; 2 - наружная панель; 3 - внутренняя панель; 4 - лестничный марш; 5 - плита перекрытия многопустотная

 

При сохранении общей последовательности технологии получения сборного железобетона в зависимости от номенклатуры выпускаемых из­делий применяют различные технологические линии, учитывающие спе­цифику производимых конструкций. При выборе той или другой линии учитывают вид и марку бетона, форму, размеры и массу изделия, слож­ность выполнения, вид армирования, насыщенность арматурой и заклад­ными деталями. Эта информация необходима для максимальной совмес­тимости операций в процессе производства изделий. Наиболее широкое распространение получили следующие способы производства: поточно- агрегатный, конвейерный и стационарный, который подразделяют на стендовый, кассетный и блочный.

Поточно-агрегатный способ предусматривает изготовление изде­лий в формах, перемещаемых по отдельным технологическим постам с помощью подъемного крана. Этот способ предпочтителен при мелкосе­рийном производстве конструкций длиной до 12 м, шириной до 3 м и вы­сотой до 1 м, сложных по технологии выполнения - многослойных стено­вых панелей, плит покрытия.

Конвейерный способ обеспечивает высокую механизацию и произ­водительность труда, так как изделия изготавливают методом непрерывно­го формования. Сама технологическая линия представляет собой движу­щуюся металлическую ленту, на которой от одного технологического по­ста к другому перемещается форма с бетонной смесью. Скорость движе­ния ленты определяется самым длительным процессом - тепловой обра­боткой и составляет около 25 м/ч. Рациональная область применения этой технологической линии - изготовление простейших плоских изделий од­ного вида: панелей перекрытий, покрытий и внутренних перегородок, аэ­родромных и дорожных плит.

При стендовом способе изделия формуют и оставляют твердеть в стационарных неперемещаемых формах. Его целесообразно использовать для изготовления таких крупноразмерных конструкций, как фермы, пред- напряженные длинноразмерные балки.

По кассетной технологии изготавливают плиты перекрытий, пане­ли внутренних стен и перегородок. В качестве стационарных форм исполь­зуют вертикальные кассеты, состоящие из нескольких заполняемых бетон­ной смесью отсеков, ограниченных стальными стенками с расположенны­ми на них навесными вибраторами для равномерного уплотнения бетон­ной смеси и паровыми рубашками, обеспечивающими прогрев бетонных изделий. Основным преимуществом этого метода является резкое сокра­щение производственных площадей. Следующий способ предусматривает производство сложных объемных элементов. При формовании объемных блоков (санитарно-технических кабин, шахт лифтов) на установке типа «колпак» вначале монтируют арматурный каркас, затем закрепляют щиты формы и бетонируют стены и потолок блока. Прогрев изделий осуществ­ляют на месте с помощью нагрева сердечника. Для съема готового изделия сердечник опускают вниз (рис. 6.2).

При изготовлении конструкций, условия эксплуатации которых связа­ны с действием больших растягивающих и изгибающих нагрузок, для повы­шения трещиностойкости бетона используют преднапряженную арматуру.

Рис. 6.2. Схема формования объемных блоков: а - установка арматуры; б - сборка формы перед бетонированием; в - бетонирование стен блока; г - съем готового блока

 

В этом случае бетон искусственно обжимается контактирующей с ним предварительно растянутой арматурой и работает на растяжение только тогда, когда растягивающие напряжения превосходят по величине сжи­мающие. Одним из создателей преднапряженного бетона был советский ученый исследователь В. Михайлов. Различают два основных способа на­тяжения арматуры: до бетонирования конструкции и после бетониро­вания. В первом случае арматуру предварительно растягивают с помощью домкратов или электротермическим способом и концы закрепляют в фор­ме. После укладки, уплотнения бетонной смеси и набора бетоном опреде­ленной прочности концы арматуры обрезают. Арматура, стремясь вер­нуться в первоначальное ненапряженное состояние, обжимает контакти­рующий с ней бетон, переводя его в сжатое состояние. В конструкциях с натяжением арматуры после бетонирования арматуру располагают в спе­циальных каналах, образованных в бетоне трубами-пустотообразова- телями, вставляемыми в форму до бетонирования и извлекаемыми из бе­тона после достижения им определенной прочности. Затем производят на­тяжение арматуры, закрепление ее концов и заливку каналов цементно- песчаным раствором. Освобождение арматуры выполняют после набора раствором определенной прочности. Для преднапряженных конструкций применяют бетон высоких марок и высокопрочную арматурную сталь в виде отдельных струн или канатов из высокопрочной проволоки, а также стержней больших диаметров периодического профиля.

Преднапряженные конструкции эффективнее обычных, так как более полное использование несущей способности арматуры и бетона позволяет значительно снизить массу изделий, их материалоемкость, повысить трещи- ностойкость и долговечность. Номенклатура изделий, которые целесообраз­но изготавливать с предварительным натяжением арматуры, - это покрытия зданий, пролетные строения и опоры мостов, железобетонные сваи и трубы, шпалы, опоры ЛЭП, телебашни, плавучие доки, защитные оболочки.

В мировой практике из преднапряженного монолитного железобето­на возводят промышленные, гражданские и жилые здания, плотины и энергетические комплексы. Примером такого строительства может слу­жить московская телебашня высотой 537 м, где преднапряженный железо­бетон является основным материалом до отметки 380 м, а также самая вы­сокая телебашня (555 м) в Торонто.

При строительстве большепролетных вантовых мостов напрягаемую арматуру располагают в каналах без заполнения их раствором или бето­ном, т.е. исключается сцепление этих двух составляющих железобетона. В этом случае арматуру защищают от коррозии или специальными оболоч­ками, или антикоррозионными составами. Мировой рекорд для таких кон­струкций принадлежит мосту «Нормандия», где пролет достигает 864 м. Незаменим этот материал и для корпусов реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Именно отсутствие такой оболочки явилось од­ной из причин чернобыльской катастрофы.

Преднапряженный железобетон можно также получить за счет применения напрягающего цемента специально подобранного состава. Сжимающие напряжения в бетоне возникают в результате образования крупнокристаллических продуктов гидратации цемента, приводящих к значительному расширению цементного камня. Так как это расширение происходит в ограниченном формой замкнутом объеме, бетону передают­ся сжимающие усилия, что повышает его трещиностойкость в процессе эксплуатации. Такой бетон получил название самонапряженный, его марку по самонапряжению обозначают Sp и числом, выражающим значение са­монапряжения в Н/мм², например, Sp 2,0.

Бетонную смесь получают на централизованных бетоносмеситель- ных узлах (заводах) в виде пластичного материала, обладающего связан­ностью и однородностью, или из сухой смеси компонентов. В первом слу­чае бетонная смесь готова для изготовления конструкций (БСГ), во втором - ее использование возможно после дополнительного введения воды и тща­тельного перемешивания составляющих непосредственно на строительной площадке (БСС). Это удобно при дальнем расположении строительного объекта от бетонного завода.

Приготовление бетонной смеси включает подготовку материалов, их дозирование и перемешивание. Большинство операций по подготовке заполнителей: дробление, удаление загрязняющих примесей, разделение по фракциям и другие подобные операции осуществляют на предприятиях по производству нерудных материалов. Подогрев заполнителей при зим­нем бетонировании проводят на складах или в бункерах на заводе при по­мощи паровых труб либо непосредственным пропусканием пара, горячего воздуха через заполнитель. Водный раствор добавок нужной концентра­ции готовят в специальной емкости, снабженной системой трубопроводов для подачи сжатого воздуха и пара для улучшения перемешивания.

Подготовленные материалы взвешивают на специальном оборудо­вании - дозаторах (весовых и объемных): цемент, воду, добавки - с точно­стью до 1 %; заполнители - до 2 % и подают в бетоносмеситель. Принцип действия этого агрегата зависит от свойств бетонной смеси. Для получения пластичных смесей на плотных заполнителях применяют смесители сво­бодного падения, в которых перемешивание происходит за счет вращения барабана и многократного подъема и сбрасывания материалов с некоторой высоты. Смеси жесткие и на пористых заполнителях получают в смесите­лях принудительного действия. Более энергичное перемешивание в течение 2 - 5 минут достигается путем использования вращающихся лопастей.

Качество бетонной смеси оценивают по ее связности, однородно­сти и удобоукладываемости - формуемости. Эти свойства зависят от вязкости и количества цементного теста, обволакивающего заполнитель и заполняющего пустоты между ним. Количество цементного теста должно быть достаточным для того, чтобы эта многокомпонентная система приоб­рела связность, т.е. превратилась в структурированную однородную сис­тему с определенными физическими и механическими свойствами. Увели­чение содержания цементного теста сверх оптимального в бетонной смеси и, следовательно, цементного камня в бетоне относительно пористого ма­териала по сравнению с плотным заполнителем (рис. 6.3) приводит к сни­жению ряда эксплуатационных свойств. Повышаются усадка и ползучесть бетона, избыточное тепловыделение при гидратации приводит к появле­нию трещин и снижению прочности, морозостойкости (рис. 6.4), водоне­проницаемости.

Рис. 6.3. Зависимость общей (сплошные линии) и капиллярной (пунктирные линии) пористости цементного камня от содержания цементного теста [1]

 

800 % 700

I

Э бос

^ 500

^400

С!

0 12345673Э Капиллярная пористостьt Рис. 6.4. Эталонная кривая зависимости морозостойкости бетона от капиллярной пористости [1]

Jjoa § 200

S 100 ^ „

Чтобы бетонная смесь стала подвижной и легко заполняла опреде­ленный объем, необходимо не только заполнить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками из цементного теста. Чем больше раз­движка, тем легче скольжение заполнителя по отношению друг к другу и, следовательно, выше пластичность смеси. В зависимости от свойств (плот­
ный или пористый) и соотношения между мелким и крупным заполнителя­ми минимальное содержание цементного теста в бетонной смеси, обеспе­чивающее ее нерасслаиваемость и качественное уплотнение, составляет 170 - 200 л в жесткой смеси и до 220 - 270 л в подвижной и литой.

Рассмотрим, как влияют свойства компонентов на подвижность бе­тонной смеси при неизменном расходе воды. Чем тоньше помол цемента и чем больше он содержит молотых добавок - трепела, диатомита, опоки (пуццолановый портландцемент), тем жестче бетонная смесь. Это связано с увеличением суммарной площади поверхности частиц, которая для по­лучения пластичной смеси должна быть покрыта тонким слоем воды.

Подвижность существенно зависит также от формы, размера и чисто­ты поверхности заполнителей. Пылевидные примеси, адсорбируя на своей поверхности часть воды затворения, повышают водопотребность бетонной смеси, снижая ее подвижность. Большое влияние оказывает также соотно­шение между песком и щебнем. Так подвижность повышается при увеличе­нии доли крупного заполнителя и использовании гравия окатанной формы.

С повышением содержания воды пластичность смеси значительно повышается. Каждая бетонная смесь обладает определенной водоудержи- вающей способностью, устанавливаемой опытным путем. При большом содержании воды (рис. 6.5) вязкость цементного теста становится недоста­точной для удерживания заполнителя во взвешенном состоянии и равно­мерного его распределения по всему объему. Плотный тяжелый заполни­тель под действием собственной массы оседает, происходит расслоение бетонной смеси. Избыточная вода, как наиболее легкий компонент, обте­кая зерна заполнителя, отжимается вверх. Образуются капиллярные ходы, снижающие морозостойкость и водонепроницаемость бетона, которые в результате последующей гидратации несколько повышаются (рис. 6.6). Вода скапливается также под зернами крупного заполнителя, образуя по­лости, ухудшающие строение и свойства бетона. Особенно интенсивно этот процесс протекает при уплотнении. Наблюдаемое расслоение нару­шает не только однородность бетонной смеси, но и бетона в конструкциях при его твердении. Поэтому водоотделение строго ограничено и может со­ставлять в зависимости от удобоукладываемости смеси от 0,1 до 0,8 %. Исключить расслоение можно за счет снижения расхода воды, увеличения расхода цемента, введением добавок пластификаторов и суперпластифика­торов, увеличением содержания мелкого заполнителя и применением спе­циальных добавок, повышающих вязкость цементного теста (например, высокогидрофильной бентонитовой глины).

Рис. 6.5. Водоотделение в цементном тесте в зави- Рис. 6.6. Изменение водонепрони- симости от относительного водосодержания [1] цаемости бетона во времени [1]

 

На практике самой важной характеристикой бетонной смеси являет­ся ее удобоукладываемость - способность равномерно занимать опреде­ленный объем под действием собственной силы тяжести, если смесь высо­копластична, или приложения нагрузки, например, вибрации при жесткой бетонной смеси. Для оценки удобоукладываемости в зависимости от ее пластичности используют следующие показатели: подвижность и жест­кость. Подвижность определяют для пластичных бетонных смесей, заме­ряя осадку в сантиметрах отформованного из бетонной смеси усеченного стандартного конуса. Этот показатель является статической характеристи­кой структурной прочности бетонной смеси, т.к. ее осадка происходит под действием собственной массы. В зависимости от осадки конуса (ОК) раз­личают низкопластичные смеси (П₁, П₂) с ОК 1 -4 и 5 - 9 см соответствен­но, пластичные (П₃, П₄) с ОК 10 - 15 и 16 - 20 см и литые (П₅) с ОК более 20 см. При наличии жестких смесей с ОК менее 1 см применяют другой показатель - жесткость. Это динамическая характеристика вязкости бе­тонной смеси, т.к. ее определяют с применением вибрации. На практике жесткость оценивают или с использованием упрощенной методики проф. Б.Г. Скрамтаева по времени вибрации в секундах, достаточном для запол­нения отформованным усеченным бетонным конусом формы - куба опре­деленного размера, или применяя специальный прибор. К сверхжестким относят смеси при времени вибрации от 100 и более до 41 с (СЖ 3, 2, 1), жестким от 40 до 5 с (Ж 4, 3, 2, 1) (СТБ 1035-96).

Показатели подвижности и жесткости назначают с учетом насыщен­ности арматуры, модуля поверхности бетонируемой конструкции и гори­зонтального или вертикального расположения формы при уплотнении. Повысить пластичность бетонной смеси можно за счет увеличения водо- цементного отношения, введения добавки пластификатора и суперпласти­фикатора, увеличения расхода цемента и снижения расхода мелкого за­полнителя. Из вышеизложенного следует, что свойства бетонной смеси за­висят от количества и свойств составляющих компонентов.

После приготовления бетонную смесь транспортируют к месту ук­ладки. На территории завода для этой цели используют ленточные конвей­еры, а также общие способы доставки, пригодные как для получения мо­нолитного, так и сборного железобетона: автосамосвалы, автобетоносме­сители, автобетоновозы. Одним из прогрессивных методов подачи бетон­ной смеси на строительные площадки, в цеха и полигоны завода является трубопроводный транспорт. Он удобен для подачи больших объемов бе­тонной смеси в конструкции, к которым затруднен либо невозможен подъ­езд автотранспорта, при подземном строительстве, где исключена подача смеси строительными кранами. Еще одним преимуществом трубопровод­ного транспорта является возможность непрерывной подачи бетонной смеси к месту производства работ, которая осуществляется пневматиче­ским способом либо гидравлическим - бетононасосами.

Перед подачей бетонной смеси форму подготавливают: очищают, смазывают, укладывают согласно проекту арматуру и закладные детали. При формовке бетонных и железобетонных изделий и конструкций ис­пользуют свойство бетонной смеси - тиксотропность. Это способность многокомпонентного пластичного состава понижать вязкость под дейст­вием нагрузки (вибрации) в результате нарушения сцепления между час­тицами и восстанавливать структурную целостность и прочность при сня­тии механического воздействия. Таким образом, бетонная смесь обладает, с одной стороны, свойствами жидкости, способной занимать определенный объем, с другой, - твердого тела, обладающего структурной прочностью.

На заводах сборного железобетона изделия обычно формуют на специальных виброплощадках. Для уплотнения сверхжестких смесей применяют вибрирование с пригрузом: вибропрессование, виброштам­пование, для литых - вибровакуумирование, основанное на частичном удалении воды за счет создаваемой разности давления на верхней и ниж­ней поверхностях бетонируемой конструкции. В последнее время получи­ли распространение ударный и безвибрационные способы уплотнения, ко­торые обеспечивают экономию энергии, уменьшают опасность вибраци­онного воздействия на рабочих. При ударном способе изготовления изде­лий формы с пластичной бетонной смесью многократно поднимают и опускают с небольшой высоты. При этом происходит постепенное уплот­нение и равномерное распределение бетонной смеси по всему объему. Из безвибрационных наиболее известны наливной, набивной и метод цен­трифугирования.

При наливном способе используют высокоподвижные литые бе­тонные смеси, которые равномерно распределяются при заливке их в фор­му. Для исключения возможного расслаивания в них вводят тонкомолотые минеральные добавки или добавки пластификаторов и суперпластифика­торов при сохранении водоцементного отношения.

Набивным способом в зависимости от последовательности приго­товления смеси получают шприц-бетон и торкрет-бетон. И тот, и другой подают в форму или на защищаемую поверхность под давлением сжатого воздуха. Отличие состоит в том, что в первом случае сухую смесь из песка и цемента смешивают с водой непосредственно при выходе из сопла, во втором - относительно пластичный состав готовят заранее и подают под давлением в форму. Для изготовления полых изделий - труб, колонн при­меняют центробежный способ формовки, основанный на равномерном распределении по поверхности формы и уплотнении подаваемой бетонной смеси под действием центробежной силы, возникающей при вращении.

При изготовлении монолитных конструкций вначале устанавли­вают опалубку и арматуру. Опалубка может быть из досок, фанеры или металлических листов. Для повышения стойкости деревянную опалубку защищают слоем из полиэтилена или армированного стекловолокном пла­стика. Иногда в качестве опалубки используют железобетонные плиты, которые являются частью будущей сборно-монолитной конструкции. Ар­матуру устанавливают в соответствии с проектом в виде арматурных стержней или каркасов. Для особо ответственных конструкций использу­ют так называемую жесткую арматуру в виде двутавров, швеллеров и про­ката специальных профилей. Бетонирование больших монолитных соору­жений или конструкций ведут отдельными блоками, устраивая между ни­ми рабочие швы. Блок бетонируют непрерывно, поэтому каждая после­дующая порция бетонной смеси должна быть уложена и уплотнена глу­бинными и поверхностными вибраторами до схватывания предыдущей.

Большое внимание, которое сейчас уделяют производству высоко­прочных морозостойких тротуарных, дорожных и облицовочных бетон­ных плит, бордюрных камней, брусчатки заставило вернуться к техноло­гии бетона сухого формования, которая была изначально предложена со­ветским инженером И.В. Вольфом еще в 1937 г. и в дальнейшем дополня­лась и развивалась учеными многих стран. Особенностью этой технологии является уплотнение сухой бетонной смеси в форме или опалубке с после­дующим влагонасыщением водой, паром или растворами различных хи­мических добавок. Таким образом получают изделия с прочностью на сжатие до 80 МПа, водопоглощением менее 2 %, истираемостью менее 0,5 г/см и маркой по морозостойкости F 1000 и более. Высокие показатели качества достигаются за счет плотной упаковки сухих компонентов бетон­ной смеси в единице объема и подвода минимального количества воды, необходимой для заполнения оставшихся пустот и обеспечения реакции гидратации цемента. При такой технологии исключается необходимость введения повышенного количества воды для обеспечения удобоуклады- ваемости смеси, которая затем вызывает формирование дефектной порис­той структуры бетона.

Самый сложный процесс в этой технологии - влагонасыщение. Уче­ные разных стран предлагали многочисленные способы введения воды, основанные на явлении капиллярного подсоса, нагнетания пара под давле­нием или использования снега и гранул льда. В Беларуси этими работами руководит проф. Н.Н. Ахвердов. По предложенной им технологии изделия получают повторным вибрированием смеси, влагонасыщенной паром под давлением. Эффективна эта технология и при зимнем бетонировании мо­нолитных крупноразмерных конструкций. Для их изготовления в опалубку вместе с арматурой устанавливают съемные перфорированные металличе­ские трубы. Затем послойно укладывают, уплотняют сухую бетонную смесь, подаваемую по гибкому рукаву, и подают по трубам водяной пар. Конденсируясь пар насыщает смесь влагой и разогревает ее за 20 - 30 се­кунд до температуры 60 - 80 ^оС, что обеспечивает набор прочности за 24 часа от 70 до 90 % марочной.

Теоретические разработки в области структурообразования цемен- тосодержащих композиционных материалов, по мнению Ю.М. Баженова, дают предпосылки для создания новых технологий получения как узко­специальных материалов, так и изделий, конструкций широкого массового применения. В первом случае технология основана на использовании од­нородно распределенных по объему таких ультрамалых частиц, как актив­ный кремнезем, микроволокна, позволяющем при В/Ц = 0,06 - 0,2 полу­чать высокопрочные материалы на уровне 250 - 650 МПа.

Второе направление предусматривает применение высококачествен­ных цементов, полученных совместным помолом с комплексной добавкой на основе суперпластификаторов (ВНВ), позволяющих получить при В/Ц = 0,1 - 0,18 особо плотную структуру цементного камня с прочностью на из­гиб 40 - 150 МПа и сжатие 100 - 300 МПа. Для повышения прочности на
сжатие до 800 МПа перспективно сочетание нескольких технологических приемов, например, введение фибронаполнителей, активного микрокрем­незема и химических добавок суперпластификаторов. Для массового строительства все в большем объеме используют мелкозернистые бетон­ные смеси, модифицированные многофункциональными добавками.

Важнейшей технологической особенностью бетонной смеси любого состава является ее способность постоянно изменять свои свойства под влиянием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды, которые сопровождаются потерей подвижности и образованием прочного искусственного камня.