X. МОРЕНО, техн. директор корпорации «Материал сервис», Применение высокопрочных бетонов Б строительстве высотных зданий
Признанным центром строительства высотных зданий в США является Чикаго. Город недавно отметил 100-летие со дня возведения первого в мире высотного здания жилищной страховой кампании высотой всего в 12 этажей. Но это был опыт применения нового принципа строительства, заключающегося в возведении несущего стального каркаса с заполнением из разных материалов.
Появление и промышленное развитие бетонов, особенно высокопрочных, внесли свой вклад в этот процесс. Усилиями специалистов корпорации «Материал сервис» прочность нормального товарного бетона за сравнительно короткий срок — 20 лет —была увеличена с 34,5 до 96,6 МПа, что в немалой степени способствовало изменению позиций проектировщиков высотных зданий при выборе материала для несущего каркаса.
Высокопрочным, по определению американского института бетона, является бетон прочностью свыше 41 МПа, изготовленный на основе стандартных компонентов. Если для роста прочности с 34,5 до 41,4 МПа потребовался минимум исследований, в результате чего такой бетон был получен с применением золы-уноса, цемента и добавок, то для дальнейшего роста прочности потребовалось проведение тщательно спланированной исследовательской программы оптимизации всех составляющих смеси, создания системы контроля качества в процессе изготовления, доставки, укладки и уплотнения бетона.
Прочность такого бетона Определяется обычно на 56-е сут, так как колонны и другие конструктивные элементы из высокопрочного бетона оказываются под полной нагрузкой значительно позднее.
Весьма сложной является стоимостная оценка эффективности применения высокопрочных бетонов. Для изготовителя товарного бетона расширение его номенклатуры прочностью свыше 41 МПа может не давать прямого экономического эффекта. Исследовательские работы по подбору состава бетона методом проб и ошибок являются длительным и дорогостоящим мероприятием с учетом того, что доля высокопрочных смесей в общем объеме производства составляет менее 1%.
Кроме этого, требуются весьма тщательный контроль качества на всех этапах изготовления, специальное оборудование и опыт для проведения испытаний по определению прочностных характеристик и т. д. Затем нужно убедить проектировщиков применить такой бетон, причем на конкурентной основе. По состоянию на 1986 г. цены на товарный бетон в районе Чикаго составляли от 66 до 191 дол. США соответственно на 1 м3 смеси прочностью 20,7 и 96,6 МПа. Укладка бетона в формы при бетонировании колонн стоила 21 дол. США за 1 м3, 1 т стержневой арматурной стали прочностью 600 МПа — 800 дол. США.
Однако высокие начальные капитальные затраты компенсируются изготовителям некоторыми косвенными выгодами. Полученный опыт способствует улучшению качества бетонов средних прочностей, расширению их номенклатуры, повышает технический уровень изготовителя и его конкурентоспособность.
Начиная с 1965 г., наиболее ходовой маркой высокопрочного бетона на строительстве высотных зданий в районе Чикаго была прочность 51,7 МПа. Такой бетон применен в колоннах нижних этажей более чем 50 жилых зданий высотой 20 .25 этажей при шаге колонн до 7,2 м, а также в колоннах средних этажей более высоких зданий. Начиная с 1972 г., более активно стали использовать бетон прочностью 62,1 МПа. в частности, на возведении более 40 торговых зданий высотой от 35 до 40 этажей. Наблюдения за поведением колонн и расчеты по оптимизации позволили при использовании легкобетонных междуэтажных перекрытий добиться оптимального минимального армирования колонн в 1%.
В 1976 г. в здании «Ривер Плаза» в экспериментальном порядке были применены колонны из бетона прочностью 75,9 МПа. В настоящее время такой бетон перестал быть редкостью при строительстве высотных зданий, а в 1986 г. в нескольких зданиях в центре Чикаго был применен бетон прочностью 82,8 МПа. Для контроля прочностных и деформативных характеристик бетона такой прочности одновременно с основными по той же технологии изготавливаются контрольные колонны, из которых затем высверливаются цилиндры и испытьаются вместе со стандартными контрольными цилиндрами 15X30 см.
Бетон еще более высокой прочности — свыше 96,6 МПа — был применен для колонн шести нижних этажей в здании Чикагской биржи и в пристройке гаражного комплекса Раш-Уолтон (рис. 1).
Имеюшаяся в настоящее время информация о свойствах высокопрочных бетонов вполне достаточна для их надежного применения в строительстве, однако для лучшего понимания их природы ряд научно-исследовательских организаций США, включая лаборатории портландцементной ассоциации, продолжает исследовательскую программу (рис. 2).
Установлено, что удельная ползучесть (отношение деформации единице напряжения) уменьшается z ростом прочности бетона. Натурные измерения укорочения колонн дали величины меньше расчетных.
Известно, что увеличение тепловыделения при гидратации цемента зависит от водоцементиого отношения, размера образца и главным образом от расхода цемента. По некоторым сведениям, при увеличении расхода цемента температура в бетоне растет на 6...8°С при расходе цемента 59 кг/м3. Для высокопрочных бетонов расход цемента повышается, что приводит к увеличенному тепловыделению на стройплощадке. Поэтому в США рекомендуется применение цементов типа П и золы-уноса. По данным наблюдений. пик тепловыделения наблюдается на вторые сутки после бетонирования. Специальных мер по отводу тепла не принимается, изделия распалубливаются на следующий день после бетонирования.
Многие исследователи высказывали опасения по поводу повышенной хрупкости высокопрочных бетонов. В качестве доказательства обычно проводят диаграммы напряжения — деформации, на которых с увеличением прочности нисходящая ветвь кривой приобретает более крутой характер. Однако специальные исследования на изгибаемых образцах, проведенные в Иллинойском университете в Чикаго, не подтвердили этих опасений.
Вызывала озабоченность огнестойкость высокопрочных бетонов. Были проведены специальные испытания образцов размером О,9X0,9X0,1 м из бетонов прочностью 34,5...62,1...96,6 МПа, изготовленных из нормальных смесей корпорацией «Материэл сервис» с добавками и без добавки микросилиция. Огневое воздействие по кривой ASTM EII в течение I ч не выявило принципиальных расхождений в поведении бетонов.
Рост значений модуля упругости с ростом прочности высокопрочных бетонов не отвечает расчетной кривой, аппроксимированной формулой норм Американского института бетона. Исследователи Корнельского университета и университета Северной Каролины предложили измененную формулу, которая существенно лучше коррелирует с опытными данными.
Значительный интерес представляет применимость формул Американского института бетона для определения предельной прочности элементов из высокопрочного бетона. Исследования Иллинойского университета подтвердили обоснованность принятия прямоугольной эпюры сжатия и возможность точного определения поведения изгибаемых элементов во всем диапазоне прочностей от 27.6 до 103,5 МПа.
Подбор состава смесей для высокопрочных бетонов осуществляют специалисты корпорации «Материэл сервис» в зависимости от исходного сырья и материалов. Например, для колони здания «Ривер Плаза» смесь прочностью 75,9 МПа имела состав: цемента — 385 кг, мелкого заполнителя — 472 кг, крупного заполнителя (12 мм)—785 кг, 1200 г, золы-уноса —45,4 кг, „садки конуса—11,4 см, воздухосодеракия — 1,5 %, удельной массы — 300 кг/м3.
Работы в области совершенствования технологии бетонов позволили корпорации существенно оптимизировать составы. которые предлагаются заказчикам па обычной коммерческой основе.
Для производителей работ с применением смесей для высокопрочных бетонов существуют требования норм Американского института бетона относительно передачи нагрузки колонн через плиту перекрытия. В тех случаях, когда прочность бетона колонн в 1,4 раза выше прочности бетона плит, в часть плиты, прилегающую к колонне, на площади в четыре раза больше площади колонны укладывается бетон той же прочности, что и в колонне.
Кроме того, при работе с высокопрочными бетонными смесями величины допусков значительно более строги, нежели при работе с бетонами обычных марок. В практике строительства США главную ответственность за поведение бетонов прочностью свыше 42,0 МПа несет поставщик бетонных смесей.
Бетон и железобетон, 1988