Н.В.КАНЧЕЛИ, главный конструктор ЗАО “Курортпроект”; О.И.ПОНОМАРЕВ, заместитель директора ЦНИИСК им.Кучеренко; Н.Г.МАТКОВ, ведущий научный сотрудник НИИЖБ, Новый способ усиления пилонов Гостиного двора монолитными сердечниками с опорными балками
В последние годы в гражданских и промышленных каркасных зданиях с бетонными поясами стали возрождаться монолитные конструкции (колонны, перекрытия, ригели, диафрагмы жесткости). В НИИЖБе разработан метод расчета монолитного каркаса [1], который дает надежные результаты и принят в ряде международных нормативных документов. Монолитный бетон стали широко применять и в мостостроении [2].
“Курортпроект” и ЦНИИСК им, Кучеренко разработали проект усиления кирпичных пилонов здания Гостиного двора монолитными железобетонными сердечниками (колоннами) сечением 40x50 см с разными высотами (12,1 и 18,2 м) с опиранием их на железобетонные балки сечением 60x100 см силового короба. Сердечники запроектированы под расчетную нагрузку 320 тс из тяжелого бетона класса В25. Бетонирование сердечников выполняли Спецмонтаж Агрисовгаза и Мосспецмонолит при участии ЦНИИСК им.Кучеренко и НИИЖБ. Работы вели в естественных условиях распиленных ниш (размером 50x60 см) в 2- и 3-этажных частях аггриума этого здания.
При монтаже арматурного каркаса устанавливались внутренние неизвлекаемые провода для прогрева бетона и одновременно в кирпичной кладке перфоратором просверливались 5 наклонных каналов 020 мм с шагом по высоте через 1,5 м. Каналы с помощью ручного шприца заполнялись цементным раствором марки 100 на поливинилацетате (состав раствора 1:0,15; В/ Ц=0,28). При отрицательной температуре в раствор вводили добавку нитрита натрия.
В заполненные раствором каналы устанавливали оцинкованные анкера длиной 600 мм из арматуры класса A-II 012 мм, которые связывали проволокой с арматурным каркасом. Отверждение поливинилцементного раствора при отрицательной температере происходило путем электропрогрева каркаса в течение 4-5 ч.
После проверки правильности вертикальной установки арматурного каркаса по ярусам с одной его стороны укрепляли фанерную финскую крупнощитовую опалубку толщиной 21 мм с отверстиями для проводов электропрогрева. Опалубку закрепляли в основании и с боков анкерами, после чего смазывали разведенной мастикой (нигрол 2 части, мыло 2 части и вода 12 частей).
Состав бетонной смеси проектировали по Рекомендациям НИ- ИЖБа с испытанием бетонных кубов в возрасте 28 сут по стандартной методике. Для бетонирования опорных конструкций был подобран уточненный состав бетона класса ВЗО ( кг на 1 м3): портландцемент (А400) — 450; щебень гранитный — 1150; песок — 570; вода — 157... 165 (в зависимости от влажности песка и щебня); суперпластификатор С-3 — 0,7% или модификатор МБ-01 — 10% от массы цемента. Пластификаторы обеспечивали стабильную подвижность бетонной смеси (ОК =8... 10 см) и снижение водопотребности с повышением прочности бетона.
Перед бетонированием арматурных каркасов по ярусам в течение 2 ч осуществляли предварительный прогрев арматуры и опалубки. Бетонирование первого опытного сердечника по ярусам выполняли бетонной смесью марки 400, поставляемой заводами в миксерах по 1,5 м3 с непрерывным г ремешиванием до 3 ч.
3 первые ярусы высотой по 3,1 м бетон укладывали порционными бадьями с подачей их краном. Бетонную смесь уплотняли маломощными вибраторами с возмущающей силой до 3500 Н, после чего включали внутренний подогрев через неизвлекаемые провода для всего яруса. Одновременно отбирали бетонную смесь на контрольные кубы, которые прогревали отдельно в формах при тех же температурах (40...45°С), что и бетонный массив сердечника. Полный цикл электропрогрева бетона в ярусах с подъемом температуры до 45°С при наружной температуре воздуха от -10°С и ниже составлял 50 ч.
Опыт показал, что возведение конструкций из монолитного бетона требует повышенного внимания к подбору его состава, способу его укладки и контролю качества [3], особенно в зимнее время, поскольку этот контроль затруднительно выполнять в условиях стройплощадки.
Прочность бетона при электропрогреве контролировали также путем стандартного расчета в соответствии с фактическим температурным режимом по кривым, построенным для прогреваемых в тех же температурных условиях бетонных кубов размером 10x10 см.
Затем более половины монолитных опорных конструкций (сердечников, стен короба) бетонировались при отрицательной температуре (-15°С и ниже). Их бетонировали также в финской сборнощитовой опалубке, закрепляемой по ярусам. Электропрогрев бетона при пониженных температурах для всех конструкций осуществлялся также неизвлекаемыми проводами, монтируемыми на арматурном каркасе. При этом пользовались добавкой нитрита натрия по рекомендациям НИИЖБа [4]. Технология бетонирования последующих сердечников и стен силового короба с перекрытиями атриума в целях предохранения от расслоения бетонной смеси при ее укладке в ярусы была изменена. Бетонную смесь в сердечники подавали через наклонные короба с укороченными до 1,5 м стальными рукавами с одновременным вибрированием ее не менее 20 мин. Перед укладкой свежего бетона отвердевшие бетонные торцы ярусов и стен специально обрабатывались — снималась цементная пленка, создавалась шероховатая наклонная поверхность и наносился слой цементно-полимерного раствора толщиной 2. ..3 см (состава цемент 4 кг, вода 1,4 л и добавка МБ-01 0,4 кг). Этот слой раствора обеспечивал монолитность рабочих швов между отвердевшим и свежим бетоном. За счет надежного сцепления этот свежий раствор практически исключил образование холодных швов, внутренних раковин, воздушных полостей. Сочетание слоя раствора с добавками при укладке бетона с короткими бетоноводами (не более 1,5 м) в ярусах позволило исключить расслаиваемость бетона при его укладке.
После набора бетоном прочности по ярусам не менее 15% от проектной произвели демонтаж опалубки забетонированных сердечников. На верхнеий торец сердечников со стальным листом и стены монолитного опорного короба с распределенными балками установили стальные несущие большепролетные фермы со светопрозрачным покрытием из пакета стеклоблоков [5]. В составе здания Гостиного двора забетонировано свыше 70 сердечников, усиливших большую часть кирпичных пилонов этого уникального сооружения.
Подливку бетона и раствора под опоры стальных ферм (рис.З) выполняли по разработанным специальным Рекомендациям ЦНИ- ИСК им.Кучеренко с участием ЗАО “Курортпроект” и НИИЖБ в соответствии с ТУ 6-02-594-70 (ГОСТ 10587-84), утвержденными Генди- рекцией ОАО "Гостиного двора”. Подливку при переменной высоте шва (до 70 мм) выполнили укладкой бетонной смеси (с добавкой модификатора МБ-01) и вибрированием ее специальной изогнутой насадкой. При тонких швах (3...20 мм) применяли герметичную опалубку с отверстиями с трех сторон (с заглушками) для контроля заполнения пространства шва инъекционным раствором. В отверстия под давлением до 6 атм насосом подавали инъекционный раствор с подпрессовкой его в течение 7-10 мин.
Выполненные таким образом опорные конструкции [6] позволили передать основную долю нагрузки от покрытия арочно-вантовых ферм с прогонами на монолитные сердечники и их балочные основания, что исключило догрузку стен пилонов и сохранило прежний вид фасада Гостиного двора.
Оценку монолитности на участках рабочих швов бетонирования сердечников и стен опорного короба производили дефектоскопией по ярусам ультразвуковыми приборами (УК-1401 и УК-10МП) по скорости прохождения ультразвукового луча. В 13 ярусах монолитных сердечников было выявлено наличие раковин и пустот с прослойками в контактах отвердевшего и свежего бетонов. Для устранения раковин в плоскости дефектных швов с открытой грани каждого яруса сердечника просверливались парные отверстия 020 мм на глубину до 38 см с последующей промывкой отверстий и раковин водой по замкнутому циклу. Затем эти отверстия с внутренними прослойками заполняли инъекционным цементным раствором (В/Ц = 0,35), приготовленным с использованием модификатора МБ-01. Раствор нагнетали ручным насосом под давлением до 6 атм с подпрессовкой. Кроме того, при проведении дефектоскопии бетона сердечников первого яруса в трех осях были выявлены (с помощью микроскопа МПБ- 2) трещины шириной раскрытия до 1,8 мм и глубиной их проникновения внутрь до 45 мм. Высверленные из массива сердечников в двух ярусах бетонные керны (090 мм) указали на присутствие трещин с воздушными прослойками. Испытания на сжатие этих кернов показали, однако, превышение фактической прочности бетона над проектной.
В связи с выявленными внутренними дефектами в виде каверн и раковин в рабочих швах монолитного бетона в первых ярусах возникла необходимость контроля средней прочности бетона в опорных конструкциях. Его проводили стандартными способами — отбором кубов с ребром 10 см и призм из четырех партий бетона при бетонировании и испытанием их в проектном возрасте (ГОСТ 1808090). Далее провели обработку полученных результатов статистическим методом согласно ГОСТ 18105-86. Были применены также неразрушающие методы контроля прочности бетона в конструкциях (методом упругого отскока с использованием склерометра Шмидта), по которому испытано более 550 точек. Для отдельных ярусов проведены стандартные испытания бетона методом отрыва со скалыванием. Построениетарировочной зависимости по методу упругого отскока скпорометром Шмидта выполняли на основании испытаний кубов разрушающим и неразрушающим методами по ГОСТ 17624-87.
Для статистического метода контроля при бетонировании ярусов отбор образцов (серия из шести кубов) производился один раз в смену. Сопоставление прочностных испытаний монолитного бетона по разрушающим и неразрушающим методам показало разброс результатов до 15%. Средняя прочность бетона по каждому из контролируемых способов испытания, как правило, превышала проектную прочность.
Для диагностического контроля напряженно-деформированного состояния монолитных сердечников Гостиного двора использовалась методика, ранее разработанная в НИИЖБ и ЦНИИСК им.Кучеренко [6 . 9], с применением датчиков напряжений НИИ строительства Эстонии и ЦНИИСК им.Кучеренко.
Для дальнейших исследований в 3 и 5 ярусах арматурного каркаса сердечника (№ 9А/1 в осях 92/ 93) были установлены и забетонированы с участием НИИЖБ рамки с датчиками напряжений (по 10... 17 шт) в двух сечениях. Из этого опытного сердечника были отобраны (а позднее испытаны) бетонные кубы и призмы.
Проведенный в 1998 г. комплекс исследований по бетонированию и усилению монолитными сердечниками несущих конструкций светопрозрачного покрытия атриума Гостиного двора позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Предложенный способ усиления пилонов этого исторического здания бетонными монолитными сердечниками (по ярусам) с опиранием на монолитные железобетонные балки и фундаменты гарантирует прочность и надежность возведенного уникального светопрозрачного покрытия.
2. Выполненный статистический контроль прочности образцов монолитного бетона, отобранных непосредственно при бетонировании опорных конструкций (сердечников, балок, стен короба, плит), подтвердил превышение средней прочности бетона над проектной при низких значениях коэффициентов вариации, что указывает на стабильное качество бетона, уложенного в несущие монолитные конструкции.
Бетон и железобетон, 1995 №5