сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Таганрог, Ростовская область, Россия
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
В настоящее время, при изготовлении строительных конструкций из железобетона, широкое распространение получили пластиковые и бетонные фиксаторы арматуры, обес-печивающие фиксацию стального арматурного каркаса в строго проектном положении, для исключения вероятности смещения арматурного каркаса при бетонировнии. Такое, доста-точно жесткое, закрепление необходимо для последующей надежной работы конструкции в сооружении, а также для сохранности стальной арматуры, защищенной необходимым сло-ем бетона от коррозии. Имеющиеся в литературе сведения, не позволяют судить о влиянии вида фиксаторов, на эксплуатационные свойства железобетона, такие как: прочность и трещиностойкость. Проведенные эксперименты, по предложенной методике, показали, что прочность и трещиностойкость образцов с использованием пластиковых и бетонных (низ-ких марок) фиксаторов, несколько ниже, чем у образцов без фиксаторов или с фиксаторами из бетона высоких марок. На основании результатов исследований появляется возмож-ность разграничения областей применения пластиковых и бетонных фиксаторов.
пластиковые фиксаторы, бетонные фиксаторы, прочность, трещиностойкость.
Введение. Обеспечение надежности и долговечности строительных конструкций из железобетона, особенно работающих в неблагоприятных условиях (высокая влажность, минерализованные воды и прочее), обусловливает необходимость применения гарантированных способов и режимов изготовления этих конструкций. Необходимым условием изготовления высококачественных железобетонных изделий является фиксация стального арматурного каркаса при бетонировании в строго проектном положении, при исключении вероятности смещения арматурного каркаса [1–4]. Такое, достаточно жесткое, закрепление необходимо для последующей надежной работы конструкции в сооружении (обеспечении расчетного распределения напряжений без возникновения возможных локальных внутренних дефектов и трещинообразования), а также для сохранности стальной арматуры, защищенной необходимым слоем бетона от коррозии. Эту задачу выполняют специальные закладные детали, которые называют фиксаторами арматуры. Принято считать, что основная функция фиксаторов арматуры – это обеспечение защитного слоя арматуры от возможной коррозии из-за вредного воздействия агрессивных сред, но только этим роль фиксаторов не ограничивается. Фиксируя арматуру в форме, фиксаторы дают возможность бетонной смеси в процессе формовании равномерно распределиться вокруг арматуры, способствуя в дальнейшем максимальному сцеплению бетона с арматурой, и, как следствие, обеспечивают способность конструкции работать в расчетных режимах. Поэтому термин «фиксаторы защитного слоя арматуры в бетоне» не в полной мере отражает их функцию. Задача защиты арматуры в бетоне от вредного воздействия внешней среды остается, является достаточно важной и требует специальной оценки качества существующих и предлагаемых фиксаторов. В настоящее время имеется крайне мало информации о характере и степени влияния вида и качества фиксаторов на эксплуатационные характеристики железобетонных конструкций.
Рис. 1. Пластиковые фиксаторы
Высокие темпы строительства, развитие монолитного домостроения, возросшие требования к железобетонным изделиям заводской готовности, обусловили рост потребности в фиксаторах арматуры, производство которых за последнее время существенно увеличилось [5–8]. Широкое распространение в настоящее время получили пластмассовые фиксаторы из ПВХ, ПНД, ПП, и т.д.
Основная часть. Фиксаторы имеют различную форму и назначение. По своему применению фиксаторы подразделяются на три категории: фиксаторы для установки на вертикальную арматуру; фиксаторы для установки на горизонтальную арматуру; фиксаторы для установки в опалубку с фиксацией общей толщины бетона.
Применение пластмассовых фиксаторов целесообразно и оправдано в конструкциях, которые в меньшей степени подвержены вредному воздействию внешней среды и находятся вне зоны действия высоких нагрузок. Это объясняется тем, что адгезия цемента и, соответственно, бетона к пластмассам невысока. Контактная зона в таком случае может служить, во-первых, источником возникновения локальных дефектов и трещинообразования при действии нагрузок в месте расположения пластмассовых фиксаторов и, во-вторых: учитывая, что опорная часть фиксаторов выходит на поверхность конструкции, то «агрессивная среда» может достаточно свободно проникать по границе «бетон-фиксатор» к арматуре и способствовать возникновению ее коррозии. Пластмассовые фиксаторы можно рекомендовать для железобетонных конструкций, работающих в воздушно-сухих условиях с невысокими внутренними напряжениями. Для конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред и в сложных напряженно-деформационных полях, для фиксации арматуры в бетонных изделиях, пластмассовые фиксаторы применять недопустимо. К таким конструкциям относятся опорные элементы мостов, элементы высотных зданий, тюбинги, резервуары и т.д. В них необходимо применять фиксаторы, изготовленные из материалов, имеющих высокую адгезию и химическое сродство с основным материалом изделия: из асбестоцемента, высокопрочного мелкозернистого бетона с различными минеральными и химическими добавками и т.д. В этом случае граница фиксатора и бетона является условной, так как кристаллы новообразований твердеющего цемента изделия и фиксатора со временем срастаются и создают плотное и достаточно прочное соединение. Основная функция фиксаторов заключается в четкой фиксации арматуры в проектном положении и обеспечении за счет этого расчетных характеристик работы конструкции [9–14].
Фиксаторы вносят в железобетонную конструкцию существенные изменения, связанные с их видом и видом материала из которого они изготовлены, являясь фактически дефектом структуры бетона:
- модуль упругости пластмассы почти на порядок ниже, чем у бетона (3,0×103 и 30×103 МПа) и поэтому, при возникновении растягивающих напряжений в зоне контакта, пластмассовый фиксатор, становится концентратором напряжений, в результате чего происходит более раннее появление трещин;
- низкая адгезия бетона к пластмассе (практически равна нулю) также снижает трещиностойкость бетона;
- коэффициенты линейного температурного расширения у пластмассы и бетона существенно отличаются (10×10-5 °С-1 у пластмассы и
1×10-5 °С-1 у бетона) и поэтому, при использовании термообработки бетона, при остывании конструкции на границе «бетон – фиксатор» могут образовываться температурные трещины.
Бетонные фиксаторы представляют собой мелкие закладные детали из мелкозернистого бетона, имеющие специальный узел крепления к арматуре в виде прищепки, пружины, зажима, защелки или просто вязальной проволоки. Форма фиксаторов не регламентируется, может быть разнообразной и во многом зависит от способа изготовления (экструзионный, вибропрессование, литье и др.) и от условий их последующего применения. Основные геометрические параметры, контролируемые в процессе изготовления, это диаметр арматуры, с которой может быть использован фиксатор и расстояние от арматуры до основания опорной части фиксатора – определяющее толщину защитного слоя бетона. Технические характеристики бетона для фиксаторов, такие как: прочность, водонепроницаемость, коррозионная стойкость и т.д., должны соответствовать техническим характеристикам бетона основного изделия. Необходимо также чтобы площадь опорной части фиксаторов была минимальной: точечной или линейной, чтобы фиксатор с внешней стороны практически полностью был закрыт бетоном.
C целью выявления характера и степени влияния фиксаторов разных видов в бетоне и железобетоне на его расчетные характеристики был спланирован и поставлен эксперимент в заводских и лабораторных условиях. В ходе работ сравнивали влияние пластмассовых фиксаторов типа «звездочка» (рис. 2), а также бетонные фиксаторы сложной формы из бетона разной прочности (рис. 3).
В процессе проведения работ были изготовлены образцы-балочки размером 150×150×600 мм и образцы-кубы размером 150×150×150 мм. Всего были изготовлены пять партий образцов:
1. Эталонные образцы-балочки и кубы, неармированные и без фиксаторов.
2. Эталонные образцы-балочки армированные в нижнем поясе (арматура диаметром 14 мм) без фиксаторов с защитным слоем бетона 35 мм.
3. Образцы-балочки армированные (аналогично п.2) с пластмассовыми фиксаторами и кубы с пластмассовыми фиксаторами, заформованными в теле бетона в рабочем положении, но без арматуры.
4. Образцы-балочки армированные (аналогично п. 2) с бетонными фиксаторами и кубы с бетонными фиксаторами прочностью 20,0 МПа, заформованными в теле бетона в рабочем положении, но без арматуры.
5. Образцы-балочки армированные (аналогично п.2) с бетонными фиксаторами и кубы с бетонными фиксаторами прочностью 40,0 МПа, заформованными в теле бетона в рабочем положении, но без арматуры.
Рис. 2. Пластиковый фиксатор – «звездочка»
Рис. 3. Бетонный фиксатор
Прочность бетонных фиксаторов определялась по косвенным оценкам (по твердости): у одной части фиксаторов она не превышала
20,0 МПа, что на 30 % меньше проектной прочности бетона образцов, у другой части фиксаторов прочность была около 40,0 МПа, что на 30.
Каждая партия включала 3 образца-балочки и 3 образца-куба. Все образцы были изготовлены в одно и тоже время, из бетонной смеси одного замеса. Состав бетона с соотношением
Ц : П : Щ : В = 1: 2,7 : 4,0 : 0,67 на портландцементе М500(Д0). Использованный в эксперименте состав соответствовал расчетному составу бетона класса по прочности В22,5 (М300). В качестве заполнителей использовались гранитный щебень и кварцевый песок с модулем крупности Мкр =1,5. Приготовленная бетонная смесь соответствовала подвижности П2 (осадка конуса
5–9 см), которая обеспечивалась добавкой
СП «Pozzolith MR 55». Изготовленные образцы прошли тепловлажностную обработку. После распалубки образцы твердели в течение 68 суток в естественных воздушно-влажных условиях.
Затем образцы были испытаны на осевое сжатие и на растяжение при изгибе в соответствии с методикой, предложенной в работе (2):
- Определены основные прочностные характеристики бетона: кубиковая прочность – R, призменная прочность – Rb.
- Определены пределы прочности на растяжение при изгибе – Rtf эталонных и армированных образцов-балочек без фиксаторов и с фиксаторами при контроле момента трещинообразования (2).
- Определена водонепроницаемость – W, на образцах-кубах без фиксаторов и с фиксаторами разного вида.
- Определены деформативные характеристики образцов-балочек: модуль упругости – Еb, коэффициента поперечной деформации – vb, предельная относительная деформация в момент образования трещины – Ɛtf, относительная деформация в момент разрушения – Ɛb0.
При проведении испытаний по определению призменной прочности и прочности на растяжение при изгибе увеличение нагрузки осуществлялось ступенями, с пятиминутной выдержкой на ступени, при этом, с целью измерения предельных деформаций растяжения, в зоне максимальных растягивающих напряжений были закреплены маяки на базе 15 см, в которые устанавливались индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм (рис. 4).
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1.
Рис. 4. Испытание образцов-балочек на растяжении при изгибе
Таблица 1
Результаты проведенных испытаний
|
№ пп |
Вид образца |
R, МПа |
Rb, МПа |
Rtf, МПа |
Еb ×103 МПа |
Ɛtf ×10-5 |
Ɛb0 ×10-5 |
vb |
W МПа |
|
1. |
Эталонный (без арматуры) |
50,7 |
41,7 |
4,1 |
34,3 |
19,5 |
228 |
0,213 |
8 |
|
2. |
Эталонный (с арматурой) |
- |
- |
4,7 |
- |
22,8 |
- |
- |
- |
|
3. |
С пластиковым фиксатором |
44,5 |
- |
3,7 |
- |
15,4 |
- |
- |
2 |
|
4. |
С фиксатором из бетона М200 |
45,3 |
- |
3,6 |
- |
14,5 |
- |
- |
4 |
|
5. |
С фиксатором из бетона М400 |
49,2 |
- |
4,6 |
- |
20,6 |
- |
- |
8 |
Результаты испытаний показывают, что на момент испытаний прочность бетона на сжатие R составила 50,7 МПа, что значительно (на 60 %) превысило расчетную марочную прочность, соответствующую 28 суткам нормального твердения, ввиду более продолжительного периода твердения (68 суток) и была выше прочности бетона фиксаторов в 1,2–2,5 раза. При этом прочность образцов-кубов с пластиковыми фиксаторами и фиксаторами из бетона прочностью
20,0 МПа была на 12–14 % ниже и составляла 44,5 МПа и 45,3 МПа соответственно. При испытании кубов с фиксаторами из бетона прочностью 40,0 МПа наблюдалось незначительное снижение прочности – 49,2 МПа.
Анализ результатов проведенного эксперимента свидетельствует о высокой дефектности структуры бетона ntf = Rb/Rtf (4), достигающей показателя – 10,2. При применении фиксаторов дефектность структуры увеличивается и составляет: 11,6 – для пластиковых фиксаторов, 11,7 –для бетонных (20,0 МПа). Однако применение бетонных фиксаторов с прочностью 40,0 МПа способствует снижению дефектности структуры до 10,3, то есть близко к дефектности структуры бетона без фиксаторов.
Прочность на осевое растяжение, рассчитанная с коэффициентом 1,7 (4), соответствовала величине 2,41 МПа и была близка к значениям, представленным на графике представленном на рисунке 4.
Существенные отклонения от линейности деформирования происходят на участке от 2,4 до 2,8 МПа, что совпадает с расчетной величиной. Данному уровню напряжений соответствует предельная относительная деформация растяжения равная 8÷9×10-5. Следует отметить, что и в этом случае характер кривых напряжений у образцов-балочек с арматурой без фиксаторов и с фиксаторами из бетона (40,0 МПа) близки и превышают показания образцов без арматуры, а также с пластиковыми и бетонными (20,0 МПа) фиксаторами.
Подобным образом обстоит дело и с величиной предельной деформативности соответствующей моменту трещинообразования. Более низкие показатели у образцов с бетонными фиксаторами прочностью 20,0 МПа, в сравнении с бетонными фиксаторами прочностью 40,0 МПа, подтверждают существенную роль в прочности конструкции прочности бетона фиксаторов. При прочности бетона фиксатора меньше прочности бетона конструкции, фиксатор можно также рассматривать как дефект – концентратор напряжения. Наличие фиксаторов весьма существенно сказалось на процессе трещинообразования. Так, момент трещинообразования у образцов с пластиковыми фиксаторами снизился на 19,6 %, а с бетонными (20,0 МПа) фиксаторами на 21,7 %, по сравнению с армированными образцами без фиксаторов или с фиксаторами из бетона
40,0 МПа. При этом у образцов с пластиковыми и бетонными (20,0 МПа) фиксаторами трещиностойкость оказалась даже ниже, чем у образцов без арматуры на 9,85 и 12,2 % соответственно.
– бетон; 
– ж/б с пластиковым фиксатором;
– ж/б с бетонным фиксатором 20 МПа;
– ж/б без фиксаторов; 
– ж/б с бетонным фиксатором 40 МПа.
Рис. 5. Диаграммы деформирования бетона и железобетона на растяжение при изгибе
Проверка водонепроницаемости образцов, также подтвердила отрицательную роль пластиковых и бетонных фиксаторов с низкой прочностью. При этом применение бетонных фиксаторов с прочностью близкой к прочности бетона конструкции, практически не сказывается на показателях водонепроницаемости.
Выводы.
1. Из результатов проведенного эксперимента следует, что выбор фиксатора при расчете по трещиностойкости следует делать с учетом вида материала, из которого он изготовлен.
2. В ходе эксперимента было подтверждено, что использование пластиковых фиксаторов при армировании ЖБИ, приводит к снижению трещиностойкости на 20–22 %, что необходимо учитывать при проектировании сборных и монолитных железобетонных конструкций.
3. При применении бетонных фиксаторов важнейшим фактором их использования является прочность бетона фиксаторов. Результаты испытаний показали, что использование бетонных фиксаторов с прочностью меньшей, чем у бетона конструкции в 2,5 раза, также ведет к снижению трещиностойкости на 20 %. Поэтому для конструкций, работающих в условиях повышенной агрессивности среды, недопустимо чтобы прочность бетона фиксатора была менее прочности бетона конструкции.
4. Учитывая то, что предельные растягивающие напряжения у бетона достаточно низкие, следует более ответственно подходить к выбору фиксаторов арматуры и проводить их экспериментальную проверку с оценкой их влияния на трещинообразование.
5. Водонепроницаемость железобетонных конструкций зависит от вида фиксаторов и существенно снижается при использовании пластиковых фиксаторов и бетонных фиксаторов с прочностью меньшей, чем у бетона конструкции.
1. СП 28.13330 - 2012. Защита строи-тельных конструкций от коррозии. Актуали-зированная редакция СНИП 2.03.11-85: введ. 2011-05-20 / Минрегион РФ. М.: ФАУ «ФЦС», 2012. 94с.
2. ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным об-разцам.
3. Безгодов И.М., Борисюк Е.А., Кожев-ников М.М., Свиридов В.Н. Влияние фиксато-ров арматуры на трещиностойкость железо-бетонных конструкций // Технологии бетонов. 2012. №7–8. С. 21–23.
4. Алексанин А.В. Перспективные направления развития организации строи-тельства // Научное обозрение. 2015. № 10–1. С. 378–381.
5. Бахус Е.Е., Сборщиков С.Б. К вопросу совершенствования организационно-технологических решений обеспечения каче-ства строительства объектов ядерной энерге-тики // Научное обозрение. 2016. № 14. С. 20–23.
6. Сборщиков С.Б. Организационные ос-новы устойчивого развития энергетического строительства // Вестник МГСУ. 2010. № 4–2. С. 363–368.
7. Алексанин А.В. Актуальность пробле-мы управления строительными отходами при реновации территорий // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 9. С. 77–80.
8. Сборщиков С.Б., Свиридов И.А. О по-вышении эффективности ликвидации ветхого и аварийного жилья // Научное обозрение. 2016. № 22. С. 17–21.
9. Безгодов И.М. О соотношениях проч-ностных и деформативных характеристик бе-тона при сжатии, растяжении и растяжении при изгибе // Бетон и железобетон. 2012. №2. С. 2–5.
10. Сборщиков С.Б., Жаров Я.В. Органи-зационно-технологическое проектирование в строительстве: вопросы нормативной доку-ментации // Научное обозрение. 2014. № 1. С. 223–226.
11. Caia W.G, Wub Y., Zhonga Y., Rena H. China building energy consumption: Situation, challenges and corresponding measures // Energy Policy. 2009. №37. Pp. 2054–2059
12. Hang Ma, Kan Zhu. Study on the renovation of old industrial district combined with the creative industry in Guangdong, China // Civil Engineering and Urban Planning. 2016. 4. Pp. 77–83.
13. Алексанин А.В., Маркевич А.И. Ис-пользование аддитивных технологий при воз-ведении зданий // Вестник Белгородского гос-ударственного технологического университе-та им. В.Г. Шухова. 2017. № 6. С. 62–65.
14. Жаров Я.В. Учет организацион-ных аспектов при планировании строительно-го производства в энергетике // ПГС. 2013. №5. С. 69–71
