Концепция применения блоков из ячеистого фибробетона в конструкции несущих стен в качестве опорного ряда сборных перекрытий и стропильных кровель

Исследование технической документации производителей газобетона автоклавного твердения и действующих на сегодняшний день сводов правил, а также практики современного строительства показывает, что вопрос распределения местных нагрузок на стены из ячеистого бетона не имеет эффективного конструктивного решения. Проблема низкого сопротивления местным нагрузкам ячеистого бетона при опирании сборных перекрытий и конструкций кровли на кладку решается путем устройства железобетонного распределительного пояса, который обладает более высокой плотностью и, следовательно, образует мостики холода, снижая теплотехнические характеристики здания.

Целью настоящей работы является разработка концепции применения опорного ряда блоков из ячеистого фибробетона, в качестве альтернативы железобетонным распределительным поясам при опирании перекрытий из сборных железобетонных плит и стропильных кровель в малоэтажном строительстве. Ячеистый фибробетон обладая повышенными прочностными характеристиками, достаточными для распределения местных нагрузок, имеет низкую среднюю плотность и сопоставимый с газобетонными блоками коэффициент теплопроводности, что позволяет сохранить эффективность применения ограждающих конструкций из ячеистого бетона.

Ключевые слова: ячеистый фибробетон, местная нагрузка, распределительный пояс, ячеистый бетон.

Теплотехническим характеристикам современных зданий сегодня придается важное значение. Повышаются нормативные требования [1,2], появляются энергоэффективные материалы и конструктивные решения. Эти обстоятельства определяют широкое применение блоков из ячеистого бетона, которые в объеме возводимых стен обладают отличными эксплуатационными характеристиками такими как экологичность, негорючесть, низкий коэффициент теплопроводности (из-за своей низкой средней плотности) и высокий коэффициент теплотехнической однородности [3]. Например, если сравнить газобетонный блок и керамический кирпич, то теплопроводность газобетона составляет 0,12 Вт/м·°С, а кирпича — 0,65 Вт/м·°С, это наглядно показывает преимущества энергоэффективности данного материала. Стены из газобетона, за счет своей высокой пористости и низкой плотности ниже веса стен из тяжёлого бетона или керамического кирпича, что в свою очередь уменьшает нагрузку на фундамент, сокращает трудозатраты и увеличивает скорость строительства. Легкая ячеистая структура бетона помимо высоких теплотехнических свойств позволяет обеспечить шумоизоляцию, а также производить любую обработку материала легко прорезая каналы, штробы и отверстия. Негативным фактором при использовании данного материала является его низкая прочность при местном воздействии, характеризующаяся разрушением (смятием) межпоровых перегородок и разрушением структуры материала. Это может проявляется, например, при опирании межэтажных железобетонных плит перекрытия или нагруженных балок на кладку из блоков ячеистого бетона. Изучение существующей нормативной документации [4,5,6,7,8] а также практики строительства [9] дает два широко применяемых на сегодняшний день технических решения этой проблемы. Первое решение состоит в устройстве распределительного железобетонного пояса, на который в дальнейшем происходит опирание конструкции перекрытия. Второе решение — возведение монолитной железобетонной плиты, конструкция которой позволяет перераспределить нагрузки. Оба решения имеют свои минусы, главные из которых: для распределительного пояса — образование мостиков холода из-за включения в объем конструкции стены материалов высокой плотности; для монолитной железобетонной плиты — увеличение стоимости обусловленная материалоемкостью, трудозатратностью и снижением темпов строительства. Исходя из вышеприведенного, возможно сделать вывод: на сегодняшний день в строительной практике и нормативной документации не существует экономичного и эффективного решения повышения прочности кладки из ячеистого газобетона при действии местной нагрузки (местное смятие, сжатие). На наш взгляд, оптимальным решением этой проблемы может являться увеличение прочностных характеристик опорного ряда (рядов) блоков газобетона при сохранении его теплотехнических свойств.

Для решения проблемы повышения прочности, обратимся к научной практике. Одним из важных направлений научной и практической деятельности в сфере композитных материалов является разработка, изготовление и применение бетонов дисперсно-армированных фиброй. Армирование ячеистого бетона волокнистым компонентом который обладает более высокой прочностью и сопостовимым модулем упругости позволяет повысить его прочность, как при сжатии, так и при растяжении. Бетон пористой структуры, содержащий рассредоточенные, хаотично ориентированные волокна называют ячеистым фибробетоном (фибропенобетон, фиброгазобетон) [13].

Повышению прочности конструкционных материалов путем предотвращения развития трещин посвящено множество работ [10,11,12,16,17]. В работах Пухаренко Ю. В., Чернышева Е. М., установлено, что введение асбестовой, стеклянной или полимерной фибры, хаотично расположенной в объеме матрицы газобетона, образуется композиционный материал, способность к сопротивлению деформациям которого существенно выше, чем у материала неармированного дисперсным волокном. Образованный композит обладает внутренней структурной матрицы способной затормозить или полностью остановить трещинообразование за счет препятствий из волокнистых включений. На примере армирования матрицы композита целлюлозными волокнами [14] можно установить зависимость эффективности (прочности) от степени насыщения волокнами и прочности сцепления волокон с матрицей бетона (см. Рис.1).

Рис. 1. Влияние степени насыщения фиброй на прочность при сжатии

Как видно из диаграммы, прочность газобетона возрастает с объемным содержанием фибры и увеличением средней плотности материала. Предпочтение использования целлюлозных волокон связано с их способностью сохранять физико-химические свойства при формовании блоков и автоклавной обработке. Однако существуют перспективные разработки армирования бетонной матрицы тонкими базальтовыми волокнами, например в работе Бучкина А.В [15], так же изучаются вопросы полиармирования [18], данные работы находятся на острие современной науки и помимо получения высоких прочностных характеристик приобретаемых ячеистым фибробетоном, положительным образом влияют на процессы усадки материала. Эффект от дисперсного армирования можно также проиллюстрировать на графике, который отражает влияние дисперсного армирования ячеистого бетона на работу при разрушении (Рисунок 2). Работа разрушения численно равна половине произведения усилия разрушения на величину предельной деформации, т. е. заштрихованному участку на диаграмме зависимости напряжений и деформаций при сжатии в ячеистом бетоне [17]. В целом работы направления дисперсного армирования ячеистых бетонов по различным оценкам позволяют повысить прочность материала на растяжение при изгибе в 1,2–2,11 раза, прочность при сжатии (в зависимости от типа волокна) 1,4–1,5 раза. При этом показатели прочности зависят от вида фибрового волокна, конкретного состава ячеисто-бетонной смеси (матрицы) и средней плотности ячеистого фибробетона.

Рис. 2. График зависимости напряжений и деформаций при сжатии образцов ячеистого бетона с добавкой и без добавки асбестового волокна: 1, 1` — ячеистый бетон без добавки асбестового волокна плотностью 520 и 650 кг/м <sup>3</sup> ; 2, 2` — ячеистый бетон с добавкой асбестового волокна плотностью 550 и 670 кг/м ³

Рассмотрим существующую нормативно-техническую документацию для ячеистых фибробетонов.

Единственным общедоступным документом, принятым на сегодняшний день регламентирующим применение изготовление и характеристики ячеистых фибробетонов, является методическое пособие, выпущенное Федеральным центром нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве [13]. Методические рекомендации разработаны в развитие СП 339.1325800.2017 [19] и СП 297.1325800.2017 [20] Документ описывает требования к материалам, проектирование и подбор составов, технологию формования и условия тепловой обработки формованных изделий. В разделе «Особенности проектирования и применения конструкций» описаны основные рекомендуемые изделия. Среди них: стеновые блоки, крупноразмерные индустриальные конструкции, крупные стеновые блоки, стеновые армированные панели, армированные плиты покрытий и перекрытий. Приведены рекомендации по изготовлению конструкций из сборно-монолитных перекрытий с использованием блоков. В разделе есть указание о том, что применение и проектирование конструкций следует производить с учетом требований, в том числе и СП 15.13330.2020 [8], где указания о повышении несущей способности участка кладки содержат конструктивные мероприятия по устройству распределительных поясов. Однако ни в одном [13] ни в другом документе [8] нет рекомендаций применения блоков из ячеистого фибробетона в качестве опорного ряда кладки стен для опирания перекрытий и стропильной кровли. Данный способ технического решения представляет научную новизну и является экономичным и эффективным решением повышения прочности кладки из ячеистого газобетона при действии местной нагрузки.

Для примера проанализируем оба технических решения в Таблице 1.

Таблица 1

Анализ технических решений проблемы низкого сопротивления местным нагрузкам ячеистого бетона

Предложение техническое решение, при обеспечении конструктивного назначения, несет в себе ряд преимуществ и превосходит по эффективности (по всем основным факторам) традиционно применяемое решение (армопояс). Применение блоков из ячеистого фибробетона в качестве опорного ряда для повышения несущей способности (сопротивление местному смятию, сжатию) опорного участка стены из газобетона может быть использовано в качестве эффективного конструктивного решения при соответствующем обосновании в каждом расчетном случае.

Литература:

1. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23–02–2003
2. СП 23–101–2004 Проектирование тепловой защиты зданий
3. Литвиненко Д. В. Наружные ненесущие стены из ячеистого бетона плотностью D400–D600 в виде блоков для многоэтажных монолитных зданий: дис. … канд. техн. наук. М. 2005. 178 с.
4. СТО НААГ 3.1–2013 «Конструкции с применением автоклавногогазобетона в строительстве зданий и сооружений. Правила проектирования и строительства»
5. Энциклопедия строительства «Das Baubuch 2017–2018. — Текст: электронный // Официальный сайт YTONG: [сайт]. — URL: https://www.ytong.ru/ru/docs/baubuch-ytong.pdf (дата обращения: 02.05.2022).
6. “Руководство пользователя Издание четвертое, переработанное и дополненное”. — Текст: электронный // ЛСР. Стеновые: [сайт]. — URL: http://lsrstena.ru/upload/files/polygraphy/rukovodstvo-polzovatelya-2022.pdf (дата обращения: 02.05.2022).
7. СТО НОСТРОЙ 2.9.136–2013 «Строительные конструкции зданий и сооружений. Устройство конструкций с применением изделий и армированных элементов из ячеистых бетонов автоклавного твердения. Правила, контроль выполнения и требования к результатам работ, рекомендации по применению»
8. СП 15.13330.2020 «СНиП II­22­81* Каменные и армокаменные конструкци
9. Монолитное перекрытие. — Текст: электронный // СтройПартнер: [сайт]. — URL: https://st-par.ru/info/perekrytiya/monolitnoe-perekrytie/ (дата обращения: 05.05.2022).
10. Пухаренко Ю. В. Фиброармированные бетоны: свойства и применение в строительстве: Учебное пособие. — СПб, 2016.
11. Воробьев К. С., Бортников В. Г., Данилова С. Г. Дисперсно-армированный ячеистый бетон / В сб. «Дисперсно-армированные бетоны и конструкции из них». ЛатНИТИ, Рига, 1975.
12. Бучкин А. В. Мелкозернистый бетон высокой корозионной стойкости, армированный тонким базальтовым волокном, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.23.05 «Строительные материалы и изделия». Москва, 2011.
13. «Рекомендации по применению и изготовлению ячеистого фибробетона» Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве» 2018 г.
14. Тугарина, А. О. Фиброгазозолобетон с использованием продуктов растительных полимеров: специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Тугарина Анна Олеговна; ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет». — Санкт — Петербург, 2009. — 17 c. — Текст: непосредственный.
15. Бучкин, А. В. Мелкозернистый бетон высокой коррозионной стойкости армированный тонким базальтовым волокном: специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Бучкин Андрей Викторович; «Научно-исследовательский центр «Строительство» (ОАО «НИЦ «Строительство»). — Москва, 2011. — 20 c. — Текст: непосредственный.
16. Рабинович, Ф. Н. Дисперсно армированные бетоны / Ф. Н. Рабинович. — 1989: Стройиздат, 1989. — 176 c. — Текст: непосредственный.
17. Дисперсное армирование ячеистого бетона как фактор улучшения его физико-механических свойств / В. Н. Стоцкий, А. М. Крохин, В. И. Савин, С. Г. Зимин. — Текст: непосредственный // Вестник НИЦ «Строительство». — 2020. — № 1(24). — С. 132–147.
18. Суворов, И. О. Дисперсное полиармирование как способ снижения усадки фибропенобетона: специальность 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Суворов Иван Олегович; ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет». — Санкт-Петербург, 1915. — 137 c. — Текст: непосредственный.
19. СП 339.1325800.2017 «Конструкции из ячеистых бетонов. Правила проектирования»
20. СП 297.1325800.2017 «Конструкции фибробетонные с неметаллической фиброй. Правила проектирования»