16 Май 2018

 

И.А. ВОЙЛОКОВ, инженер, Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет

В настоящее время приоритетным направлением в промышленном строительстве является возведение различных терминалов и складов, которые занимают большие площади и требуют надежной эксплуатации при возрастающих нагрузках на покрытия.

Применение дисперсного армирования позволяет получать и надежные конструкции покрытий.

Разработанная экспериментальная модель конструкции покрытия со слоем износа из сталефибробетона и технология бетонирования позволили добиться высоких прочностных характеристик как для статической, так и для динамической нагрузки, отвечающих современным повышенным требованиям и обеспечивающих долговечность работы покрытий промышленных полов.

Конструкция пола представляет собой двухслойную плиту с верхним слоем из сталефибробетона и нижним из обычного тяжелого бетона или железобетона.

Целесообразность применения сталефибробетона определяется экономией арматуры и бетона. Экономический эффект также достигается за счет других свойств – повышения трещиностойкости, ударостойкости, прочности, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы конструкции. Это в значительной степени окупит расход самого металла.

Работа многослойных покрытий при действии эксплуатационной нагрузки описывается математической моделью, представляющей двухслойную плиту на упругом основании, в которой слои специального назначения представлены классическими пластинами Кирхгова–Лява.

Работы, посвященные практическому применению сталефибробетона и технологическим параметрам смесей, убедительно показывают положительные качества сталефибробетона, но не дают необходимых рекомендаций для выбора технологических параметров приготовления и укладки сталефибробетонной смеси, особенно для устройства слоя износа.

В настоящее время общепризнано, что несмотря на технические и экономические преимущества бетона, а

также инновации и научный прогресс в изучении микроструктуры бетона, разрушение бетона стало основной глобальной проблемой. Его недостаточная долговечность повсеместно является предметом постоянных исследований.

Анализ причин разрушения покрытий показал недостаточную прочность несущего слоя при растяжении при изгибе и недолговечность материала покрытия. Для упрочнения периметра наливных полов и полов с применением сталефибробетона целесообразно использовать защитные профили из алюминия и нержавеющей стали производства «Элион». Большинство покрытий не выдерживает нормативного срока эксплуатации: на них возникают трещины, выбоины, колея, выкрашивание и другие дефекты. Эксплуатировать такие покрытия становится небезопасно.

На первый план выходит обеспечение производства высокопрочных покрытий для промышленных полов при значительном периоде их эксплуатации. Одним из способов решения задачи является устройство слоя износа из сталефибробетона и отработка технологии возведения покрытий в целом. Применение такой технологии позволит привести двустадийное производство к одностадийному и сократить расход арматурной стали на 20–80%.

Вместе с тем расширение применения номенклатуры изделий, массовое внедрение сталефибробетона в

практику строительства настоятельно требуют осуществлять мониторинг верхнего слоя покрытия и полное

взаимодействие слоев покрытия при разработке универсальных технологических решений и проектирования состава сталефибробетона, отличающихся от существующих.

В имеющихся публикациях по теме производства и конструирования покрытий промышленных полов используется, как правило, упрощенное описание упрочнения верхнего слоя и отсутствует заключение о работе покрытий в целом, а также прочностные характеристики по ударной прочности и износостойкости.

Теория бетоноведения не дает прямых рекомендаций по технологическим параметрам сталефибробетонной смеси для применения в конструкции покрытий промышленных полов.

Производство покрытий промышленных полов с применением слоя износа из сталефибробетона включает приготовление, транспортирование, укладку и распределение в покрытии бетонной и сталефибробетонной смесей, обработку смеси, уход за уложенным бетоном и выдерживание до набора распалубочной

прочности. Каждый из указанных технологических процессов имеет свои особенности, которые влияют на

качество покрытия. Сталефибробетонные смеси отличаются от обычных бетонных смесей не только наличием в их составе стальной фибры, но и требуют при приготовлении смесей оценки следующих критериев:

– количество стальной фибры;

– сцепление и анкеровка стальной фибры с бетоном;

– равномерное распределение стальной фибры по

всему объему матрицы;

– однородность сталефибробетонной смеси.

Выполнение перечисленных условий приводит к проведению различных по содержанию и сложности

технологических мероприятий.

С учетом многообразия факторов, их взаимосвязи и многоплановости влияния на свойства покрытий промышленных полов основное внимание в работе уделяется отработке технологических параметров устройства слоя износа покрытия из сталефибробетона, обеспечивающего высокие физико-механические свойства.

Целью исследования является повышение технического уровня, долговечности и эксплуатационного

состояния покрытий промышленных полов путем оптимизации технологических параметров слоя износа из сталефибробетона при сокращении технологических затрат на производство арматурной стали, армокаркасов, доставку металлоконструкций на объекты производства работ и снижение себестоимости продукции.

При проектировании параметры верхнего и нижнего слоев плиты рассчитывают по предельным состояниям первой и второй групп. Параметры верхнего слоя плиты дополнительно рассчитывают по предельным состояниям второй группы. Результатами расчета верхнего слоя плиты является его проектная толщина, прочность при осевом сжатии и растяжении при изгибе при статическом нагружении, истираемость, стоимостные ограничения.

Задача исследования – определение технологических параметров выполнения верхнего слоя плиты (на этапе выбора соотношения компонентов смеси, приготовления смеси, укладки и уплотнения, ухода), обеспечивающих ее проектные характеристики.

Для установления связи между технологическими и проектными конструктивными характеристиками были спланированы и проведены экспериментальные исследования. Расчетные характеристики сталефибробетона по прочности при бетонной матрице классов В25, В30, ВЗ5 взяты из нормативных документов СНиП 52-01–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции»; РТМ-17-03–2005 «Руководящие технические материалы по проектированию, изготовлению и применению конструкций на фибре из стальной проволоки»; ВСН 56–97 «Проектирование и основные положения технологии производства фибробетонных конструкций»; ГОСТ 10181–2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний».

В экспериментах использовалась стальная фибра прочностью при сжатии Rfm= 600 МПа, диаметром 0,5 мм и длиной 50 мм из малоуглеродистой проволоки (ТУ 14-4-1093–80).

Количество воды затворения, необходимое для сталефибробетонной смеси, выбрано экспериментальным путем при показателе жесткости 5 с (табл. 1). При расходе воды затворения 2,49 кг получили требуемую жесткость сталефибробетонной смеси при (Mw/Mc)f= 0,498.

Вяжущее (Mc), крупный и мелкий заполнитель (Ms),стальная фибра (Mf) подобраны в соответствии с планом проведения лабораторного эксперимента. С этой целью изначально готовили сталефибробетонную смесь состава Mc:Ms:Mf=1:2:0,01.

В соответствии с проведенными экспериментами установлено, что наиболее целесообразно использовать смеси с маркой по удобоукладываемости Ж1 (жесткость tq= 5–10 с) [1, 2].

При определении режима вибрационной обработки слоев покрытия, степени и продолжительности уплотнения выявлено, что при уплотнении конструкции происходит резкое оседание сталефибробетонной смеси за счет перераспределения фибры. В результате исследований формования образцов экспериментально установлено, что объем неуплотненной слоистой конструкции должен составлять: Vнк=1,5V,(2) где Vнк– объем неуплотненной слоистой конструкции, м3; V– объем уплотненной конструкции в целом, м3.

При этом применяется поверхностное вибрирование. Использование глубинных вибраторов нарушает расчетные слои конструкции и способствует образованию цементных пробок в теле сталефибробетона, не армированных фиброй.

При использовании виброплощадок с амплитудой колебаний А= 0,3–0,5 мм, интенсивностью вибрации И =280–310 см23и частотой колебаний f= 50–75 Гц средняя фактическая степень совместного уплотнения смесей при изготовлении контрольных образцов для исследования физико-механических свойств составила купл= 0,985.

 

Определена продолжительность виброобработки в зависимости от жесткости сталефибробетонной смеси (табл. 1). Существует прямая зависимость продолжительности виброобработки сталефибробетонной смеси от ее жесткости. Соотношение между указанными параметрами находится в пределах t/tq= 2,5.

Лабораторные исследования слоя износа на истираемость и определение прочностных характеристик конструкций выполняли в сертифицированных испытательных лабораториях.

 

Для сокращения объема требуемых испытаний применяли математические методы планирования экспериментов по условиям многофакторного эксперимента (табл. 2). Образцы изготавливали без фибры, с 1% фибры (40 кг/м3) и 2% фибры (80 кг/м3).

Испытания проводили по ГОСТ 10180–90. Измеряли продольные и поперечные деформации при сжатии призм, деформации растяжения восьмерок и деформации растяжения при изгибе. Деформации измеряли с помощью тензодатчиков с базой 100 мм. Нагрузку на образцы передавали ступенями, равными примерно 0,05–1,1 от разрушающей нагрузки.

С увеличением процента армирования модуль упругости фибробетона возрастает незначительно (по сравнению с бетоном). Продольные деформации образцов возрастают существенно, особенно при растяжении и растяжении при изгибе (табл. 3). По результатам лабораторных экспериментов получены зависимости прочностных характеристик и истираемости от содержания фибры и других компонентов сталефибробетонной смеси. Полученные зависимости позволяют подбирать составы сталефибробетона. Кроме того, необходимо помнить, что модуль упругости сталефибробетона возрастает на 15–17% в зависимости от армирования.

Определение физико-механических свойств образцов покрытий выполнялось в 28-суточном возрасте. Обработка результатов испытаний проводилась на ПК, в результате чего получены уравнения регрессии для расчета физико-механических свойств образцов покрытий:

прочность при осевом сжатии, МПа:

 

 

Средние коэффициенты вариации результатов лабораторных испытаний и рассчитанных по уравнениям регрессии, соответственно составляют 5,2; 10,9 и 7,2%. На основании проведенных исследований установлены нижний и верхний пределы содержания фибры, 0,5% <μf<2%. Наибольшее увеличение физико-механических свойств покрытий достигается при содержаниифибры μf= 1%.

По результатам исследования прочности при растяжении при изгибе установлено, что для покрытий со  слоем износа нагрузка в момент образования трещин в 1,5–1,8 раза превосходит нагрузку, соответствующую пределу прочности при растяжении неармированного бетона. При увеличении количества фибр на единицу площади расчетного сечения их сцепление возрастает, что и повышает трещиностойкость бетона. Внешний осмотр взятых проб показал высокую однородность стальной смеси.

Определение фактического содержания стальной фибры производилось путем размыва отобранных проб их рассеивания, взвешивания и измерения геометрических размеров. Результаты пробных замесов показали высокую однородность сталефибробетонной смеси, а средняя длина стальной фибры в смеси lf= 54,2 мм обеспечивает армирующий эффект. Назначение среднего уровня прочности сталефибробетона было принято в соответствии с требованиями ГОСТ 18105.1–80 с учетом коэффициента вариации. Расчет исходных ресурсов материалов для опытных замесов и их корректировку осуществляли в соответствии с общими принципами подбора состава бетона. Качественное получение фиброармированной бетонной смеси достигнуто при условии обеспечения равномерной и постепенной подачи фибры в бетоносмеситель и во время перемешивания компонентов сталефибробетонной смеси в течение первых 2 мин после подачи фибры. Увеличение времени перемешивания сверх оптимального отрицательно влияет на свойства сталефибробетона.

Практика устройства покрытий на объектах позволила определить, что в технологии производства слоистых покрытий наиболее важной задачей является достижение максимальной плотности укладки слоев и их прочное сцепление. Для этого твердые составляющие заполнителей и стальной фибры в смеси должны быть без нарушения однородности смеси по объему конструкции, соответственно длительное уплотнение приводит к нарушению однородности смеси. Проверка технологии производства и реконструкции промышленных полов с применением слоя износа из сталефибробетона в производственных условиях проводилась на различных объектах:

– при замене покрытия площадью 2300 м2в цехах по производству экструдированного пенополистирола ПО

«ПЕНОПЛЭКС» в г. Кириши;

– при устройстве покрытия пола в цехах тяжелых грузовиков завода «Яровит моторс» площадью 7000 м2

в Санкт-Петербурге;

– при производстве покрытий полов производственных цехов площадью 6570 м2на ООО «Сасовский завод дорожных машин»;

– при устройстве фибробетонных полов с упрочненным верхним слоем площадью 11124 м2

в офисно-складском комплексе «ДИКСИ» в Санкт-Петербурге.

Общая толщина покрытия составляла 200–220 мм, в том числе слой износа 40–50 мм. Состав сталефибробетона: цемент ПЦ400Д0 – 450 кг; песок с Мкр = 2,7 – 680 кг; щебень фракций до 10 мм – 1157 кг; фибра стальная, процент армирования 1% (40 кг/м3бетона); пластификатор – 1,72 кг (0,4% массы цемента).

На всех объектах производственной проверки предлагаемой конструкции и технологии для устройства слоев износа из сталефибробетона применяли разработанный способ укладки:

– приготовление сталефибробетонной и бетонной смесей;

– транспортирование сталефибробетонной и бетонной смесей на место устройства покрытия;

– установка направляющих на всю высоту бетонирования конструкции покрытия;

– послойная укладка соответственно бетонной и сталефибробетонной смесей по высоте неуплотненных слоев;

– одновременное уплотнение всех слоев покрытия;

– отделка поверхности покрытия шлифовальными машинами и уход за бетоном путем обработки поверхности отвердительным составом;

– нарезка деформационных швов и укладка перекрытий «Элион» из алюминия или нержавеющей стали.

В качестве направляющих применялась стандартная опалубка высотой 240 мм. Распределение и разравнивание смесей осуществляли вручную. Уплотнение покрытия производили виброрейкой (амплитуда колебаний 0,5 мм, частота 50 Гц, длина 4,2 м), все слои уплотняли одновременно. Уплотненное покрытие покрывали составом, образующим защитную пленку на всей поверхности.

При устройстве покрытий изготавливали контрольные образцы, которые выдерживали в условиях строительства. Результаты испытаний контрольных образцов ьв 28 сут возрасте в полной мере соответствуют результатам лабораторных исследований. Продолжительность виброуплотнения t слоев покрытий составила t =2,5ktqс, где k – коэффициент отклонения паспортных характеристик виброоборудования от фактических в производственных условиях k=√Ист/Иф, где Ист– интенсивность уплотнения виброоборудования согласно паспортным техническим характеристикам, см23; Иф– интенсивность уплотнения виброоборудования в производственных условиях, см23.

Общий цикл формования и трудоемкость сокращаются соответственно на 14,7 и 15,1% (табл. 4).

В течение года эксплуатации покрытий отрыва слоев и образования трещин не наблюдалось. Были выбурены Образцы-керны бетона для определения фактической толщины покрытия, прочности при осевом сжатии и растяжении при изгибе и однородности бетона.

Установлено, что покрытия, выполненные по разработанной технологии, превышают нормативные прочностные характеристики (табл. 5). Кроме того, за счет равномерного распределения и общего уплотнения слоя износа технология обеспечивает повышение долговечности в 2 и более раз в сравнении с существующими способами возведения покрытий.

Очень важно с экономической точки зрения, что реализация технологии производства покрытий со слоем износа из сталефибробетона обеспечивается без перестройки производственных структур строительных организаций и требует лишь установки на бетоносмесительных узлах дополнительного весового дозатора для стальной фибры и сооружения для ее хранения.

Разработанная конструкция покрытия по предлагаемой технологии позволила:

– снизить энергозатраты производства на 10–12% за счет экономии арматурной стали;

– сократить общий цикл производства покрытий до 10–15%;

– уменьшить приведенные затраты на производство покрытий на 20–30%;

– исключить вредные выбросы продуктов электросварочных работ в атмосферный воздух.

Применение технологии производства промышленных полов со слоем износа из сталефибробетона позволило обеспечить повышение физико-механических свойств покрытий по сравнению с традиционными способами, а именно прочность при растяжении при изгибе в 1,5 раза, истираемость покрытий в 1,2 раза. Высокие физико-механические свойства слоя износа обеспечивают значительный период эксплуатации и повышают долговечность покрытий.