Напрягающий цемент и самонапряженные железобетонные конструкции в СССР
Совершенствование бетонных и железобетонных конструкций, расширение целесообразных областей их применения в значительной степени зависит от создания новых эффективных вяжущих, в том числе быстротвердеющих, коррозионностойких и напрягающих цементов.
Созданный советскими учеными в начале пятидесятых годов напрягающий цемент (НЦ) представляет собой механическую смесь портландцементного клинкера (70—80%), расширяющегося компонента из гипса (15—20%) и вещества, содержащего активные алюминаты кальция (10—15%). Алюмосодержащие вещества — глиноземсодержащие шлаки, золы тепловых электростанций, высокоалюмннатные глины, каолины, алуниты; последние достаточно широко распространены в СССР и являются наиболее перспективным материалом для производства НЦ.
Напрягающий цемент, являясь расширяющимся вяжущим, отличается от аналогичных способностью увеличиваться в объеме после приобретения прочности (8—15 МПа), обеспечивающей сцепление с арматурой. Благодаря этому свойству арматура получает напряжение растяжения бетон — сжатия, а железобетонная конструкция становится самонапряженной. При этом арматура растягивается независимо от направления своего расположения в бетоне, что позволяет создавать двухосное и объемное самонапряжение конструкций.
Важнейшим показателем качества са- монапряженной конструкции является прочность бетона в процессе эксплуатации. У бетонов на НЦ она обычно составляет 40—70 МПа. Рост прочности напрягающего бетона интенсивно продолжается после достижения цементным камнем возраста 28 сут. Через 3 мес. прочность увеличивается на 30%, а через 6 мес. — на 40%, что особенно важно для гидротехнических сооружений, загружаемых через несколько месяцев после возведения.
Цементная промышленность в СССР выпускает напрягающие пименты с маркой но самонапряжению 1; 2 и 4 МПа, что позволяет приготовлять бетоны безусадочные, т. е. компенсирующие усадку, и с самонапряжением до 2,7 МПа.
Напрягающий бетон обладает высокой сульфатостойкостью. Как известно, ослабление бетона вследствие сульфатной агрессии возникает в результате наличия в цементном камне большого количества алюминатов кальция, которые, взаимодействуя с гипсом грунтовой воды, образуют С3А (С)3Н31 и в результате направленного роста кристаллов приводят структуру к разрушению. Представляется очевидным (и это доказано эксперементальным путем), что если гипс в состав напрягающего цемента введен таком количестве, которое, образуя гидросульфоалюмннат кальция, в период образования структуры бетона связывает все алюминаты кальция, имеющиеся в напрягающем цементе, то последующая сульфатная коррозия бетона уже исключена.
Стальная арматура в самонапряженном железобетоне не корродирует, как в плотном тяжелом бетоне на портландцементе.
Важным свойством напрягающих бетонов является их низкая водо-, газо- и бензопроницаемость, что является следствием уплотнения структуры цементного камня в условиях всестороннего сжатия, возникающего в результате самонапряжения. Установлено, что водонепроницаемость напрягающих бетонов на тяжелых, облегченных и легких заполнителях (искусственных и природных), определенная по методике действующего в СССР стандарта, гарантируется до 16 атн. Для напрягающих бетонов на доменных шлаках и некоторых других видах крупного заполнителя этот показатель значительно выше — более 40 атн.
Газопроннцаемость напрягающего бетона, уплотненного обычными средствами (вибрированием), примерно в 40 раз ниже, чем тяжелого бетона на портландцементе.
Бензонепронииаемость исследованных напрягающих бетонов характеризуется низкой величиной порядка 6-10-8 Дарси при давлении 0,5 МПа. Все образцы обеспечивают полную непроницаемость по отношению к дизельному топливу.
Долговечность железобетонных конструкции в климатических условиях СССР в значительной степени определяется морозостойкостью бетона. Данные экспериментов показывают, что напрягающие бетоны обладают высокой морозостойкостью независимо от вида НЦ и крупного заполнителя. Морозостойкость бетонов на легких заполнителях, как правило, характеризуется марками Мрз 300—500, для тяжелого бетона диапазон значительно шире — от 300 до 1500.
Большой интерес представляет морозостойкость бетонов на НЦ в морской воде, поэтому их можно широко применять в гидротехнических сооружениях. Испытания показали, что в этих условиях морозостойкость образцов из напрягающего бетона, уплотненных вибрированием, оказалась в 1,5—5 раз больше, чем у изготовленных на портландцементе.
Одной из эффективных областей применения напрягающего цемента является его использование в бетонах с противоморознымн добавками, укладываемых безобогревным способом при отрицательных температурах. Это обусловлено быстрым нарастанием прочности, сопровождающимся интенсивным выделением экзотермического тепла, что создает благоприятные температурные условия выдерживания бетона.
Можно отметить, что при положительной температуре энергия экзотермии напрягающего цемента в 1,5—1,8 раза выше, чем у портландцемента, т. е. сравнима с теплотой гидратации особобыстро- твердеющего портландцемента высоких марок 700, 800. Кроме того, способность НЦ расширяться и напрягаться в процессе твердения позволяет получать бетоны высокой плотности и морозостойкости с более благоприятной структурой, воспринимающей отрицательное воздействие низких температур.
Отмеченные свойства напрягающих бетонов позволили применять их как в сборных, так и монолитных конструкциях и сооружениях в различных областях строительства с большой экономической выгодой.
Применение цементов с малой энергией самонапряжения в отдельных областях строительства началось в СССР в сороковых годах, в первую очередь для восстановления разрушенных в период Великой Отечественной войны железобетонных зданий и сооружений.
Первое изготовление и применение НЦ было организовано с 1965 г. для замоноличнвания стыков емкостей и других инженерных сооружений. Применение НЦ и освоение работ при отрицательной температуре позволило расширить степень сборности и индустриализации всего процесса строительства емкостных сооружений, сократить сроки их возведения, снизить трудозатраты и улучшить качество.
С 1976 г. возводятся полносборные емкостные сооружения с применением напрягающего бетона для заделкн стыков, изготовления сборных элементов, выполнения монолитных и сборно-монолитных конструкций (водопроводные и канализационные насосные станции, резервуары (рис. 1), фильтры, первичные и вторичные отстойники и т. п.). Применение НЦ в полносборной конструкции цилиндрических емкостей позволило исключить навивку- высокопрочной арматуры и торкретирование поверхности стенок резервуара для защиты арматуры от коррозии.
Перспективным направлением является
использование напрягающего цемента для выполнения гидроизоляционных работ. Смесь НЦ с песком, водой и, при необходимости, с добавками, нанесенная давлением воздуха на изолируемую поверхность, создает очень плотную структуру бетона, которая еще больше уплотняется за счет образования и роста иглообразных кристаллов гидросульфоалюмината кальция. Гидроизоляция на основе НЦ широко применяется при возведении и ремонте многих объектов химической промышленности, культурно- бытовых и жилых зданий, очистных и гидротехнических сооружений. Гидроизоляционные покрытия на основе НЦ оказались значительно более надежными, долговечными и дешевыми.
Напрягающий цемент эффективно используется в мостостроении. Применение НЦ позволило найти один из оптимальных вариантов решения такой важной проблемы, как устройство полотна проезжей части мостов, способного надежно защищать несущие конструкции пролетных строений от агрессивного воздействия атмосферных осадков. Эффект применения проезжей части мостов из самонапряженного железобетона возрастает при включении ее в совместную работу с несущими элементами, что позволяет повысить несущую способность последних на 12—16%.
В настоящее время построено 27 мостов различной конструкции общей площадью 30 тыс. м2 проезжей частью из напрягающего бетона. Обследование мостов, эксплуатирующихся от 2 до 5 лет, подтвердило жизнеспособность принятой конструкции проезжей части и целесообразность широкого применения напрягающего бетона в мостостроении.
Для объектов энергетики НЦ впервые был применен при возведении ТЭЦ в 1978 г. Напрягающий бетон укладывался в шов, оставленный между двумя монолитными блоками нижней плиты основания фундамента под турбоагрегат мощностью 100 мВт.
При проектировании и строительстве фундаментов под турбоагрегат мощностью 250 и более МВт бетон на НЦ был применен в стыках верхней сборно- монолптной части фундамента. Это позволило отказаться от операций, связанных с созданием предварительного напряжения (устройство каналов для пропуска стержней, натяжение арматуры, инъецирование каналов) и уже через 4... 5 сут получить гарантированное, достаточно равномерное пространственное сжатие стыков. Внедрение этого материала позволило сократить продолжительность строительства каждой очереди станции более чем на 15 сут.
Разнообразное применение находит НЦ в метростроении. Его используют вместо свинца для зачеканкн швов между тюбингами и блоками, а также нагнетают раствор из НЦ за обделку. В опытном порядке возведено несколько участков обделки перегонных тоннелей из цельных блоков без гидроизоляции, изготовленных из напрягающего бетона (рис. 2). Швы между блоками зачеканивались тестом из НЦ. Участки успешно эксплуатируются в обводненных грунтах при давлении воды до 0,5 атм.
Для возведения монолитно-прессованной обделки при щитовой проходке перегонного тоннеля в обводненных грунтах был применен бетон на НЦ. Первый опыт показал, что использование НЦ не вносит никаких дополнительных трудностей в технологию обделки. В то же время такая обделка имеет хороший внешний вид, обладает высокой прочностью и не пропускает воду.
Эффективен бетон на НЦ для гидроизоляции подземных сооружений, возводимых методом «стена в грунте». Испытания показали, что это значительно улучшает свойства бетона, придавая нм высокую прочность (50 МПа через 28 сут) и водонепроницаемость (В 10), а самонапряжение обеспечивает эффект самозалечпвания небольших дефектов.
Бетон на НЦ был применен в аэродромном строительстве при возведении мест стоянок самолетов, перронов и взлетно-посадочных полос. Многолетняя эксплуатация покрытий на основе НЦ не привела к образованию каких-либо дефектов ни на одном участке. При этом расстояние между швами может быть больше, чем в конструкциях из бетона на портландцементе.
Бетон на НЦ использовали при строительстве опытных участков автомобильных дорог. Построены цементно-бетонные, армобетонные и непрерывно армированные покрытия. Наиболее эффективными оказались армобетонные покрытия.
Все более широкое применение находит НЦ при возведении различных спортивных сооружений для обеспечения трещиностойкости и водонепроницаемости конструкций. Построено несколько искусственных конькобежных дорожек и полей, в том числе знаменитый стадион «Медео». Напрягающий бетон применен там для охлаждающей плиты, в которой размещены регистры хладоиосителя. Построено несколько бассейнов.
Особенно широко был применен НЦ для строительства и реконструкция ряда крупнейших открытых спортивных арен Олиминады-80 (рис. 3 и фото на 2-й стр. обложки). Общая площадь реконструированных в период подготовки к Олимпиаде-80 трибун превысила 200 тыс. м2. Работы были проведены в короткие сроки с хорошим качеством. Опыт реконструкции трибун олимпийских объектов успешно использован в других городах.
Свойства самонапряженного железобетона эффективно реализуются в железобетонных трубах. Одним из прогрессивных способов производства безнапорных и низконапорных труб является радиальное прессование. Применение бетонов на НЦ в этом случае обеспечивает надежную водонепроницаемость безнапорных труб и снижает в них расход арматуры. На этом же оборудовании можно изготавливать низконапорные самонапряженные трубы.
В НИИЖБе разработана конструкция высоконапорных (для давления до 1,6 МПа) труб большого (5,5...7,5 м) диаметра, водонепроницаемых, без устройства стальной рубашки (рис. 4). Создано уникальное оборудование для их изготовления с высокой точностью внутреннего диаметра. Эти трубы и оборудование их изготовления внедряются на строительстве ирригационных систем в Средней Азии..
Напрягающий цемент применяется и в других областях строительства, в частности, в полах промышленных и общественных зданий, в элементах безрулонной кровли жилых домов, в объемных блоках из напрягающего керамзитобетона для объемно-блочного домостроения.
Как свидетельствует накопленный опыт, использование НЦ повышает эксплуатационную надежность и долговечность зданий и сооружений, в целом ряде случаев позволяет снизить стоимость и сократить продолжительность строительства Производство напрягающего цемента в СССР ежегодно увеличивается.