Опыт применения центрифугированных линейных элементов с поперечными сечениями различного профиля при строительстве многоэтажных зданий

УДК 624. 27.012 + 666.97

Введение

Сущность изготовления линейных элементов методом центрифугирования заключается в том, что при вращении формы с бетонной смесью вокруг неподвижной оси воз­никает прессующее центробежное давление, под влияни­ем которого из цементного геля отжимается жидкость со взвешенными вней высокодисперсными фракциями и од­новременно сближаются более крупные частицы твердой фазы. Центробежный бетон при однослойном формовании без пластифицирующих добавок отличается от изготов­ленного с виброуплотнением неоднородным распределени­ем зерен заполнителя по толщине стенки изделия, так как более крупные зерна отжимаются к наружной поверхности, а более мелкие - к внутренней. В связи с этим, к недостат­кам центрифугированного бетона при однослойном фор­мовании следует отнести его анизотропность по сечению и изменение прочностных характеристик по толщине стенки.

При изготовлении образцов на ременной центрифуге при однослойном формовании И.Н. Ахвердовым [1] установлена такая структурная анизотропия бетона:

• на наружной поверхности происходит наиболее плот­ное отжатие воды и уплотнение цементного теста;
• в средней части сечения значительная неоднород­ность цементного камня обусловлена наличием в нем радиальных фильтрационных каналов, размеры сечения и количество которых возрастают от наруж­ной к внутренней поверхности изделия;
• по мере приближения к внутренней поверхности изделия микрокапилляры соединяются и образуют макрокапилляры, которые затем составляют систе­му дисперсных протоков, исчезающих вследствие разжижения цементного геля водой, вытесненной из вышерасположенных зон.

Все это привело к утверждению, что прочность центри­фугированного бетона по толщине изделий меняется.

Поэтому задача в совершенствовании технологии цен­трифугирования состояла в том, чтобы получить бетоны с более равномерной структурой и уменьшить расхождение в показателях прочности бетона по толщине стенки изделий.

При послойном центрифугировании при уплотнении от­дельных слоев малой толщины заполнитель распределяется более равномерно, при укладке последующих слоев зерна за­полнителя внедряются во внутреннюю часть предыдущих с избыточным содержанием цементного геля, уменьшается количество и сечение фильтрационных каналов.

Для снижения анизотропии при центрифугировании эффективным является применение комплексных доба­вок, понижающих водопотребность и сохраняющих ее вязко-пластические свойства. При этом способ модифи­кации полимерами открывает широкие возможности для получения центрифугированных бетонов с заданными свойствами.

Основные элементы технологического оборудования - центробежный станок и опалубочная форма.

Известны три типа центробежных станков: осевой (шпиндельный), свободно-роликовый и ременной.

Наибольшее распространение в мировой практике для изготовления центрифугированных элементов получили свободно-роликовые станки. К достоинствам роликовых центрифуг следует отнести возможность изготовления элементов большого диаметра и длины. Например, на за­водах некоторых фирм (ФРГ, Англия, США и Швейцария) эксплуатируются центрифуги, на которых могут изготав­ливаться элементы диаметром до 3,6 м и длиной до 60 м.

В Республике Беларусь на роликовых центрифугах можно изготавливать элементы диаметров до 800 мм и дли­ной до 26 м. Максимальное число оборотов опалубочной формы достигает 450 об/мин.

Ременные центрифуги позволяют формовать изделия на более высоких скоростях вращения опалубочных форм (1200- 1300 об/мин), чем роликовые. Опалубочная форма на ремнях самобалансируется. Ременной технологии фор­мования присуще плавное вращение формы в гироскопи­ческом режиме при полном отсутствии вибрации. А если применить конструктивные предложения по генерации высокочастотных колебаний формы, действующих в на­правлении перпендикулярном центробежным силам, это позволит получить практически однородную структуру бетона с высокими механическисвойствами.

Изготовление арматурных каркасов, укладка бетон­ной смеси и сборка опалубочных форм осуществляется на специальных стендах. На стендах осуществляется автома­тизированная навивка и сварка арматуры каркасов.

При использовании ременных центрифуг и изготов­лении изделий в опалубочных формах диаметром 500 мм и выше подача бетонной смеси может производиться лен­точными питателями в форму, уложенную на ремни цен­трифуги. В остальных случаях укладка бетонной смеси в полуформу производиться с помощью бетоноукладчика. При использовании ленточного питателя возможна подача бетона отдельными порциями и создание многослойного изделия, в том числес отдельными фактурами или защит­ными слоями из полимербетона, сталефибробетона и т.д.

Длительность всего процесса центрифугирования, включая время набора и снижения скорости, подачи и уплотнения бетонной смеси зависит от длины, диаметра и толщины стенки изделия, но, как правило, не превышает 20...25 мин.

Анализ существующих технологий показывает, что центробежный способ формования линейных изделий из высокопрочного бетона прост, не требует сложного обо­рудования, обладает высокой производительностью.

Основная часть

В 1976 г. ЦНИИпромзданий, ПИ-1, Белпромпроектом и Белорусским политехническим институтом была предпри­нята попытка применить центрифугированные элементы кольцевого сеченияв качестве колонн многоэтажных зда­ний. Проведенные первые испытания опытных образцов узловых сопряжений выявили отличительные особенности этого класса конструкций. Необходимо было преодолеть не только технологические трудности при изготовлении изде­лий, но и обеспечить очень высокую несущую способность тонкостенных колонн, достигающую 5000 кН и более при строго ограниченных размерах сечения.

Применение таких способов центрифугирования как послойное формование, центробежный прокат, циклическое центрифугирование, совмещение центрифугирования бетон­ной смеси с вибрированиеми прокаткой, реверсивное центри­фугирование, модификация центрифугированного бетона при помощи комплексных химических добавок и т.п. позво­ляет решать задачу получения бетонов высокой прочности для сильнонагруженных колонн многоэтажных зданий.

Для реализации поставленной цели потребовалось ре­шить следующие задачи:

• разработать единую систему унифицированных изде­лий, на основе которой может осуществляться строи­тельство зданий и сооружений с различными объем­но-планировочными и конструктивными решениями;
• выявить принципиальные особенности технологии изготовления центрифугированных изделий с различ­ными формами поперечного сечения( кольцевое, ква­дратное, прямоугольное. тавровое(рис.1...3);
• исследовать физико-механические свойства центри­фугированного бетона с многослойным формованием и его совместную работу с арматурой (рис.4);
• провести экспериментальные и теоретические иссле­дования напряженно-деформированного и предельно­го состояний предлагаемых изделий и узлов их сопря­жений;
• оценить действительную работу несущих элементов в составе пространственных систем зданий.

Рис.1 Принципиальная схема изготовления изделия по спо­собу «центрифугирование + вибрирование + прокатка»

Рис.2 Переналаживание цилиндрической формы Цилиндрическая форма; 2- вкладыши

Рис. 3 Схема действия жидкой и твердой фаз бетонной смеси на стенки формы ригеля таврового сечения

Рис. 4 Физико-механические свойства бетона при одностороннем и реверсивном режиме центрифугирования [4]

В условиях проводимого в Республике Беларусь экспе­римента по сокращению материальных, трудовых затрат и снижению сметной стоимости строительства осуществле­но экспериментальное проектирование и строительство многоэтажных зданий с гибкой планировочной схемой, в том числе железобетонных гаражей-стоянок [5].

На основе вариантного проектирования схем расста­новки автомобилей доказано, что наибольшая функцио­нальная эффективность и более простая конструктивная схема достигается в центрическом решении, когда значи­тельная часть функций развивается не по прямой линии, а вокруг одной точки-центра. Экспериментальное здание многоэтажной стоянки в объемно-планировочном решении представляет собой цилиндрический объем стоянок авто­транспорта с ремонтными службами под ними диаметром 56м, с высотой первого этажа - 4,2м, рядового этажа - 3,3м.

Для гаража - стоянки принято шесть витков наклон­ных междуэтажных перекрытий. Каркас круглого в пла­не здания решен с использованием следующих несущих элементов:многоэтажных центрифугированных колонн кольцевого сечения;треугольных плит перекрытия раз­мером на ячейку здания;стеновых панелей высотой на этаж;диафрагм жесткости.Каркас здания решен по свя- зевой схеме: общая устойчивость его обеспечивается по­становкой вертикальных диафрагм жесткости по двум кольцевым осям, являющимися также противопожарными перегородками, которые объединены дисками горизон­тальных и наклонных перекрытий.

Белорусским национальным техническим универси­тетом (БПИ) совместно с проектными и производствен­ными организациями России (Оргэнергострой, Тепло­электропроект, Горьковский Промстройпроект) проведен комплекс исследований, проектных и научных работ по внедрению колонн квадратного полого сечения для много­этажных зданий энергетического строительства.

Разработан сортамент предварительно напряженных колонн для 2.9-этажных зданий энергетического строи­тельства.

В качестве объекта внедрения был принят семиэтаж­ный инженерно-лабораторный корпус (г. Воронеж, РФ). Каркас здания решен по связевой системе.

Санкт-Петербургским филиалом института «Оргэ- нергострой» осуществлено перепроектирование цилин­дрической формы с возможностью изготовления пред­варительно напряженных центрифугированных колонн квадратного сечения с наружными размерами 400х400 мм и длиной до 22,1 м.

Это позволило применить все другие конструктивные элементы каркаса здания по типовой серии 1.020-1/83 без изменений.

В цилиндрическую форму был введен желоб из листо­вой стали толщиной 4 мм, имеющий квадратное сечение с закругленными углами и разрез в месте разъема формы. Технология изготовления предварительно напряженных колонн отработана на действующей технологической ли­нии Волжского комбината производственных предпри­ятий (г. Рыбинск). Изготовление колонн производилось на всю высоту здания на роликовой центрифуге, однако по предложению монтажников была предусмотрена раз­резка семиэтажной колонны на два монтажных элемента высотой на три и четыре этажа. Пространственные арма­турные каркасы колонн собирались в специальном кон­дукторе в арматурном цехе и на пост подготовки и сборки форм поступали в готовом собранном виде. На специаль­ном стенде осуществлялось протаскивание напрягаемых стержней, их предварительное напряжение и фиксация. Под собранный каркас производилась заводка нижней полуформы, затем бетонирование,установка верхней по­луформы и сбалчиваниеполуформ между собой. Укладка бетонной смеси в полуформу производилась при помощи бетоноукладчика эстакадного типа, движущегося по рель­совой колее.

Так как изготавливаемые изделия имели толщину стенки 80-100 мм, укладка бетона в полуформу произво­дилась с непродолжительным вибрированием.

После установки верхней полуформы и затяжки бол­тов заполненную форму переносили мостовым краном на роликовую центрифугу.

Был принят следующий режим центрифугирования:

• Частота вращения 50-90 об/мин - 2 мин;
• Частота вращения 200-300 об/мин - 1 мин;
• Частота вращения 300-380 об/мин - 2 мин;
• Частота вращения 380-450 об/мин - 15 мин;

Затем форму с изделием переносили в пропарочную камеру и после тепловой обработки - на пост распалубки.

Центрифугированные колонны формовались бескон­сольными. Это позволило в одной опалубочной форме из­готовить все предусмотренные проектом марки колонн. В зависимости от местоположения колонн в каркасе здания при примыкании диафрагм жесткости, лестничных кле­ток, стеновых панелей и т.д. применялись колонны двух­консольные, одноконсольные и бесконсольные. Устрой­ство консоли осуществлялось после изготовления ствола путем приварки опорного металлического столика к за­кладной детали в стволе колонны.

Стык колонн решен контактным со сваркой по конту­ру торцовых металлических листов,к которым привари­вались четыре анкерных стержня.и передачей усилий че­рез тонкий цементно-песчаный раствор.

Было проведены серии испытаний опытных образцов стыков центрифугированных колонн квадратного сечения с круглой полостью.Разрушение опытных образцов про­изошло при сжимающей нагрузке по стволу колонны, т.е. стыки оказались более прочными.

Наиболее простым для изготовления консолей ко­лонн является способ создания консоли путем приварки опорного столика к закладной детали колонны. Закладная деталь колонны представляет собой прямоугольную пла­стину толщиной 16 мм с шестью анкерами диаметром 22 мм из стали класса S400,приваренные в раззенкованные отверстия.

Испытания опытных образцов проводились в верти­кальном положении ствола колонны. При проведении ис­пытаний измерялись относительные деформации волокон элементов столика и закладной детали, продольные и по­перечные деформации бетона по длине зоны анкеровки арматурных стержней,вертикальные и горизонтальные смещения закладной детали, прогибы опорного столика.

Применение центрифугированных колонн квадратно­го полого сечения вместо колонн сплошного сечения по типовой серии 1.020-1/83 для конкретного объекта позво­лило снизить расход бетона на 31 %, сократить количество марок колонн в 2.5 раза, а количество стыков колонн в 4 раза [5].

Заключение

1. Анализ существующих технологий показывает, что центробежный способ формования линейных изделий из высокопрочного бетона прост, не требует сложного оборудования, обладает высокой производительно­стью. На современном этапе развития технологии цен­трифугирования происходит ее постоянное совершен­ствование.
2. В Республике Беларусь накоплен достаточно большой опыт изготовления центрифугированных железобетон­ных элементов кольцевого сечения: труб, опор линий электропередач, осветительных мачт и опор контактной сети,колонн одноэтажных и многоэтажных зданий
3. Белорусским национальным техническим универси­тетом (БПИ) совместно с проектными и производ­ственными организациями России (Оргэнергострой, Теплоэлектропроект, Горьковский Промстройпроект, Волжский комбинат промышленных предприятий) проведен комплекс исследований, проектных и науч­ных работ по внедрению колонн квадратного полого сечения для многоэтажных зданий энергетического строительства.Принципиальным объектом внедрения был принят семиэтажный инженерно -лабораторный корпус (г.Воронеж).Применение центрифугированных колонн квадратного полого сечения вместо колонн сплошного сечения по типовой серии 1.020-1/83 для конкретного объекта позволило снизить расход бетона на колонны на 31 %, сократить количество марок ко­лонн в 2.5 раза, а количество стыков колонн в 4 раза.

Список литературы

1. Ахвердов, И.Н. Железобетонные напорные центрифу­гированные трубы/ И.Н.Ахвердов-Мн.: Госстройиз- дат, 1967 - 164 с.
2. Пецольд ТМ. Центрифугированные колонны квадрат­ного сечения/Т.М. Пецольд// Бетон и железобетон. - 1983. - № 6 - С.6-7.
3. Морштейн, О.Б. Уплотнение бетонной смеси в консо­лях центрифугированных колонн/ О.Б.Морштейн, А.Н. Попов //Транспортное строительство. -1978.- №12-С.41-43.
4. Пастушков, Г.П. Многоэтажные здания с гибкой планировочной схемой/ Г.П. Пастушков, В.Г. Пастушков, В.А. Белый //Проблемы современного бетона и железобетона: сб. трудов Междунар. симпозиума, Минск, 16-19 октября 2007г.- Минск:Стринко, 2007 - ч.1- С.280-294.

Поступила в редакцию 24 июля 2014 г.