Секция СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Боровець О.А., студент, Ужегова О.А., доцент, Трейман Є.О., доцент,

(Луцький національний технічний університет, м. Луцьк)

Зведення будівель та споруд з просторових плит 3D

Наведена технологія якісного, дешевого і швидкого зведення (для капітального будівництва і реконструкції) масових забудов соціального житла, поселень для біженців, а також промислових об’єктів під назвою "Просторова плита 3d".

Компонент 3d є багатошаровою конструкцією, яка складається з панелі пінополістиролу (завтовшки 40-100 мм) з нанесеними на неї з обох боків шарів бетону певної товщини (найчастіше 50 мм), з включенням двох паралельних листів покривної арматурної сітки і нахиленої в діагональному напрямі арматури – розкосів, приварених до стрижнів покривних сіток з протилежних сторін. Стрижні діагональної арматури, які перерізують пінополістирольний наповнювач, оцинковують через можливий ризик корозії. Покривну сітку оцинковувати необов'язково, якщо бетонний шар має достатню товщину (рис.1). Бетон, нанесений з обох боків плити 3d, виконує наступні функції: сприймає стискуючі зусилля; захищає арматуру від корозії.

Рис.1. Конструктивна схема просторової плити

Технологія просторових плит 3d не є експериментальною, оскільки пройшла випробування і застосовується в країнах Європи, Канаді і США.

Система будівництва із 3d панелі дозволяє створювати широкий асортимент об’єктів різного призначення:

• житлові будинки: від простих одноповерхових до складних за архітектурним рішенням 3-5-ти поверхових житлових будинків, особливо це важливо для комфортного будівництва (плита є несучою, а у висотному монолітному будівництві використовується як огороджуюча ненесуча конструкція);

• реконструкція довільних об’єктів без підсилення фундаменту;

• сільськогосподарські об’єкти, склади;

• громадські будівлі: магазини, торгові центри, клуби, глядацькі та спортивні зали і комплекси.

Будівництво об’єктів із 3d плит дозволяє наступне:

• знизити вартість об’єкта на 40-50%, а вартість зведення стін у 4 рази порівняно з цегляними;

• продуктивність праці підвищити у 5-6 разів, порівняно з кладкою цегляних стін (працівник виконує в зміну до 100 м² стіни);

• зменшити термін будівництва в 2-3 рази;

• до мінімуму знизити затрати на механізми (за рахунок легкої ваги монтованих елементів);

• знизити транспортні затрати;

• при однакових зовнішніх габаритах будівлі отримати до 1,5 м² додаткової корисної площі на кожні 6 м стіни порівняно з будівлями із традиційних матеріалів;

• можливість виконання робіт при температурах до -15^оС;

• не потребувати висококваліфікованих будівельних кадрів.

Залежно від необхідного класу бетону в бетонозмішувачі впродовж 3 – 4 хвилин готують бетонну суміш за раціонально підібраними пропорціями.

Для бетону класу В15 орієнтовна витрата компонентів наступна:

Дрібнозернистий заповнювач (0-4 мм)	1750 кг
Цемент	300 кг
Вода	150 кг
Разом	2200 кг

Фактична міцність бетону залежить від багатьох факторів і може бути встановлена лабораторним дослідженням зразків.

Вміст цементу у бетоні становить приблизно 300 кг/м³. Ця кількість гарантує необхідну міцність і здатність до перекачуванням бетонної суміші насосом. Бетон з більшим вмістом цементу схильний до усадки, що супроводжується утворенням усадочних тріщин. На міцність бетону та корозійну стійкість арматури впливає водоцементне співвідношення, оптимальне значення якого становить 0,5 – 0,6.

Вигіднішим є використання бетонної суміші заводського приготування. Готову бетонну суміш можуть постачати як в мішках (у сухому вигляді), так і в цистернах, для значних об’ємів робіт. Відкрите і незахищене зберігання бетону на будівельному майданчику повинне зводитися до мінімуму.

Здатність до перекачування - один з вирішальних критеріїв при виготовленні бетонної суміші та її застосуванні. Точний вимір цієї характеристики неможливий, це встановлюється дослідним шляхом і пробним перекачуванням. Існують різні прості тести, які дозволяють прогнозувати поведінку матеріалу. Проводять тест на стискування: бетонну суміш кладуть на долоню, стискають у кулак, так, щоб матеріал пройшов крізь пальці. Якщо чистий цементний розчин просочується крізь пальці, а на долоні залишиться піскоподібна грудка, значить, існуватиме небезпека зупинки перекачування, це характерно при використанні річкового піску. Якщо цементний розчин м'яко проникає між пальців і залишає лише трохи маленьких піщаних грудочок на долоні, то здатність прокачуватися буде достатня. Тест на виступ цементного молока: заповнюють відро по самі вінця бетонною сумішшю. Через 15 хвилин на поверхні не повинно залишитися води, інакше має місце поява цементного молока і виникає вірогідність зупинки процесу перекачування. Тест з лійкою: велику лійку, нижній отвір якої дорівнює приблизно 3 см, наповнюють розчином. Перекачувана м'яка бетонна суміш протече наскрізь, коли лійка повністю заповниться. Покращити прокачування матеріалу можна використанням дрібнозернистого піску, додаванням кам’яного пилу тонко подрібненого вапняку у кількості 5-10% (75-200 кг/м³), додаванням вапна, а також застосуванням спеціальних хімічних добавок.

Бетонну суміш наносять на стіни або на нижню сторону плити перекриття після остаточного зведення стіни або плити. У більшості випадків це виконують за допомогою бетононасоса, оскільки ручне нанесення бетонної суміші вимагає значних трудовитрат. У більшості випадків для нанесення тонкого шару застосовують невеликі насоси потужністю 30 – 50 л/хв., об'єм нанесеного матеріалу може становити 5 – 15 м³.

Головною перевагою методу сухої суміші є низька чутливість насосів до початкового матеріалу. Матеріал подають через шланг за допомогою стислого повітря і змішують з водою лише у випускному отворі. Цей метод дозволяє уникнути засмічення отвору, до того ж існує можливість перервати подання матеріалу на короткий час і перезапустити без великого ризику. Недолік методу сухої суміші в тому, що подальша обробка бетону не здійснюється, досягнення гладкої і рівної поверхні є практично неможливим, тому бетонний шар, який наноситься цим способом виходить грубим, шорстким. Останній шар в цьому випадку має бути виконаний іншим способом, наприклад, використанням цементного будівельного розчину. Ризик, який не слід недооцінювати, – використання заздалегідь змішаного матеріалу, який не зберігався у спеціальних мішках або у спеціальному резервуарі, зберігання у відкритому вигляді впродовж кількох годин сприяє всмоктуванню гігроскопічної вологи, тому якість бетону погіршується. Інший недолік полягає у необхідності використання високопродуктивного, і як наслідок, досить дорогого компресора. Очікуваний зворотний хід 15-40%, це удвічі більше, ніж при використанні методу сухої суміші (тоді як залишок цементного будівельного розчину, що подається насосом, може бути перемішаний з частинами цементу і використаний повторно, залишок сухого бетону використовуватися повторно не може). До того ж, пил може стати досить великою і неприємною проблемою, особливо у невеликих приміщеннях, використання спеціальної захисної маски для людей, працюючих в цих умовах, стає необхідним.

Практичний досвід показує, що метод вологої суміші є більш прийнятним варіантом. Стає можливим використовувати малопотужні і дешеві насоси, які відомі також як насоси для цементу (передбачається м'який перехід від будівельного розчину до дрібнозернистого бетону). При використанні методу вологої суміші єдине завдання компресора – подавати бетон в сопло. Подальша обробка для мокрого бетону простіша, ніж для сухого. Розрівнювання і шліфовка бетону виконується легко. Залишок невикористаного бетону в два рази менший, ніж при бетонуванні методом сухої суміші. Кількість пилу, що утворюється при цьому невелика.

Пристрої для бетону методом мокрої суміші вимагають набагато більшого об'єму бетону з достатньою здатністю до перекачування. Для того, щоб досягти цієї здатності, пристрій повинен мати заданий кут гратчастого фільтру, інакше буде неможливо уникнути частого засмічення сопла. Пристрої з черв'ячним насосом зазвичай добре підходять для легко перекачуваних сумішей з максимальним розміром зерен до 4 – 5 мм. Плунжерний насос здатний пропускати бетон з максимальним розміром зерен до 8 мм, тиск при поданні може досягати 40 бар. При використанні карусельного насоса (валик тисне на еластичне сопло і таким чином передається матеріал) діаметр зерна обмежується 1,5 – 2 мм. Створюваний тиск дещо нижчий, ніж у випадку попередніх двох видів.

Ручне виготовлення. Мулярі виготовляють бетонну суміш традиційним ручним методом, тому якість невисока. Використання цього методу має сенс лише для нанесення тонких шарів 5 – 10 мм та виправдане при низькому рівні фінансування будівництва.

Бетонна суміш може укладатися за допомогою розпилювача об’ємом 5 – 10 л, звідки через сопло вона викидається за допомогою стислого повітря на стіну або панель. Порівняно з ручним нанесенням, якість значно покращується, проте кінцевий результат все ж нижчий, ніж той, який отримують при використанні пневматичних бетонних насосів. Досвід показав, що щоденне виробництво за допомогою розпилювача може становити 100 м² при товщині шару бетону на стіні 2см і до 70 м² – для нижньої сторони панелі перекриття.

Бетон наносять у 2 або 3 шари. Перший шар надає конструкції необхідної міцності для сприйняття зусиль на стадії будівництва, а також вирівнює невеликі виїмки. Наступний шар, завтовшки 2 см, (до панельної арматурної сітки) розрівнюють вручну, щоб уникнути нерівностей, але в той же час залишити його грубим. Для контролю товщини шару бетону встановлюють мітки, "маяки" (цвяхи, натягнутий дріт).

Подальший бетонний шар наносять як звичайну штукатурку в межах відміток і шліфують. Якщо є потреба, то можливе нанесення третього тонкого, гладкого шару. Цей шар не має структурних функцій і тому може бути не з бетону, а із сухого розчину нанесеного на ще вологий другий шар бетону. Якщо поверхня недостатньо волога, то її додатково змочують. Тонкі бетонні шари дуже чутливі до висихання, тому потрібен додатковий догляд: рекомендують покриття стін, що виходять на сонячну сторону, пластиковою плівкою; використовують мокрі джутові рушники, оскільки недостатній подальший догляд може привести до передчасного висихання поверхні і появи тріщин. Перед продовженням бетонування поверхня першого бетонного шару ретельно очищається, інакше не буде забезпечене достатньо міцне з'єднання шарів, особливо при використанні методу сухої суміші.

Після нанесення на стіни і на нижні сторони панелі перекриття першого шару бетону необхідно встановити опалубку верхнього бетонного шару панелі. Це необхідно виконати також і в області кільцевої балки і швів між стінами і панеллю. Як правило, досить прикріпити опалубку до арматури в'язальним дротом, проте в окремих випадках необхідно зробити додаткове кріплення. Потім бетон наносять на верхню сторону панелі, як звичайний бетон з максимальним розміром зерна заповнювача 8-16мм. Допустимі відхилення у товщині плити перекриття, що становлять декілька міліметрів, можуть бути усунені в закінченій будівлі при влаштуванні покриття підлоги.

Часом в процесі бетонування, можуть з'явитися тріщини. Найчастіша причина появи тріщин – пересихання поверхні бетону. Невірне використання незатверділої поверхні теж може привести до появи тріщин. Головна умова – правильне зведення конструкції, укладання додаткових арматурних сіток у вузлах з'єднань.

Деякі типи тріщин:

Тип І – тріщини під кутом 45^о, в декількох місцях, завдовжки 1-2см. Місце розташування: навколо отворів (віконних прорізів). Причина: усадка бетону з високим вмістом цементу. Найчастіше тріщини з'являються на сонячній стороні внаслідок недостатнього догляду за раннім бетоном; часто можна помітити невеликі тріщини навколо вікон, які з'являються в тонкому шарі з цементного будівельного розчину, що покриває монтажну піну. Заходи: окрім поліпшення якості бетону, вирішення проблеми може бути забезпечене шляхом дворівневої процедури, оскільки область (приблизно 30×30см) в кутах на той час є вільною. Після бетонування наносять сухий розчин, встановивши в кутах арматурну сітку під 45^о. Заміна цієї сітки звичайною арматурою не виправить ситуацію і може вважатися задовільним рішенням тільки у разі товщини стіни 50мм.

Тип ІІ – вертикальна тріщина в перемичці. Місце розташування: близько до кутів прорізів; іноді в області перемичок на панелях. Причина: у випадках, коли бетон уже нанесений на перемичку, але ще не затверднув, панель перекриття навантажена тимчасовим навантаженням і перемичка пригинається. Заходи: якщо можливо, дверні або віконні отвори виконувати з цілого блоку без перемичок; необхідно передбачити додаткові опори і підтримувати панель в області перемички перед нанесенням бетону.

Тип ІІІ – вертикальна тріщина у перемичці (без тривимірної панелі); близько до кута або до місця відкривання дверей. Причина: перемичка без тривимірної панелі має меншу міцність, ніж та, що сполучена з панеллю (причина як для тріщини за типом ІІ), окрім того, закривання дверей призводить до ушкодження цієї області і може сприяти виникненню значної тріщини. Заходи: перемички над дверними і віконними прорізями без з'єднання з тривимірною панеллю вимагають додаткового армування (як мінімум по 2 стержні Æ12 вгорі і внизу).

Тип ІV – тріщини в районі отворів. Місце розташування: отвори для електричних розеток в стінах і панелях. Причина: як правило, ті ж, що і для типу І. Внаслідок невеликого розміру отворів кількість тріщин значно менша, ніж у випадку з дверима або вікнами. В деяких випадках ці тріщини можуть з'явитися в результаті дії зубилом після накладання бетону. Заходи: як правило, ті ж, що і для тріщин типу І. Велике число тріщин говорить про те, що існують серйозні проблеми з якістю бетону або з подальшою обробкою. Рубка прийнятна лише тоді, коли бетон уже досить затверднув, не вологий.

Тип V – вертикальна тріщина у стіні. Місце розташування: на стику між зміцненою арматурою бетонною стійкою і тривимірною стіною. Причина: різні матеріали і прямий шов між стійкою і стіною. Бетонні стійки і тривимірні стіни мають різні деформаційні властивості. Заходи: з’єднувальна арматура повинна мати хомути, щоб сприймати навантаження; і мати додаткову арматурну сітку. Це ж рекомендується і для видимих швів.

Тип VІ – вертикальна тріщина в стіні. Місце розташування: тріщини виникають у тих ділянках, де встановлені металеві колони. Причина: тріщини виникають у зоні деформаційного шву, а металеві колони використовують, щоб компенсувати досить тонку величину бетонного шару. Виходячи з того, що бетон не має склеюючих властивостей, шов залишиться відкритий навіть якщо усадкове напруження буде незначним. Заходи: частина бетону має бути видалена, щоб створити грубу, шорстку поверхню.

Тип VІІ – вертикальна тріщина в стіні, яка може пошкодити панель. Місце розташування: у стінах і панелях. Причина: тривимірні панелі не були належним чином прикріплені до основи або були закріплені на ранній бетон, який ще не набрав достатньої міцності. Така тріщина може виникнути з великою вірогідністю після установки панелі. Заходи: перед нанесенням бетону необхідно міцно закріпити усі панелі, особливо, якщо внизу стіни є прорізи, треба впевнитися, що панель належно закріплена.

Тип VІІІ – тріщина з нижнього боку плити. Місце розташування: в області головних розтягуючих напружень. У більшості випадків тріщини починаються від отворів для електричних установок. Причина: панелі були розміщені у довшому напрямку; якщо форма плити близька до квадрата, то виникнення тріщин найімовірніше в обох напрямках. Заходи: панелі і додаткова арматура необхідно розміщувати в коротшому (робочому) напрямку плити. Якщо форма плити близька до квадрата, то слід передбачати арматуру у стиснутій зоні, вона дозволить зменшити деформації і тріщин можна уникнути.

Загальні рекомендації щодо недопущення появи тріщин:

- застосовувати бетонні суміші з низьким В/Ц (вода/цемент). Навіть найкраща суміш (у тому числі заздалегідь підготовлена суха бетонна суміш у пакетах) може бути зіпсована додаванням зайвої кількості води. Оптимальне співвідношення В/Ц ≈ 0,5. Слід уникати значень В/Ц, вищих від 0,6. Для встановлення певного співвідношення В/Ц рекомендовано використовувати спеціальні мірні місткості (відра). Не можна додавати воду "на око". У випадках не належної роботи бетононасоса, використовують спеціальні пластифікатори;

- загальний вміст цементу не повинен перевищувати 300 кг/м³. Здатність до закачування не забезпечується при використанні вимитого річкового піску. Додавання дрібних частинок, виготовлених з подрібненого каменю (кам'яного пилу), також допустимо і широко застосовується;

- нанесення трьох шарів бетону достатнє для виключення виникнення усадкових тріщин на поверхні стін і плит. Перші два шари повинні мати таку товщину, яка потрібна за конструктивними вимогами. Третій шар є тонким (декілька міліметрів), виготовленим з сухого вапняного розчину. Якщо вже існують тріщини, то товщина цього останнього шару має бути збільшена для уникнення збільшення розмірів цих тріщин (останній шар може бути не бетонним). Простіше і дешевше використати вапняно-цементний розчин. Особливо рекомендується застосовувати вапняно-цементний розчин для нанесення товстішого шару в ділянках, де плити не точно підігнані;

- про всяк випадок можна залишити найбільш небезпечні зони без бетонного покриття, сухий вапняний розчин нанести вручну після торкретування. Ці небезпечні зони – області, що піддалися розкриттю (можливо невеликому розкриттю для електроустановок);

- подальша обробка поверхні є найважливішим заходом для забезпечення тріщиностійкості бетону. Досить велика кількість усадочних тріщин виникає у стінах внаслідок впливу сонячного проміння на освітлені поверхні.

Загалом для зведення будівель і споруд за технологією 3d характерні малі затрати праці, швидкість виконання робіт, надійність, довговічність, відносна дешевизна у порівнянні з іншими технологіями, це робить даний продукт одним із найоптимальніших варіантів будівництва. Вибір методу бетонування несе вагомий внесок у швидкості чи вартості будівництва, а тому правильність його вибору зменшить затрати праці на весь період будівництва. У статті також розкрито питання виникнення тріщин, зокрема, як з ними боротися в тих чи інших випадках, аби будувати якісне житло.

Сведения об авторах:

Боровец Александр Анатольевич, студент, гр. ПГС-41 (промышленное и гражданское строительство), Луцкий национальный технический университет, тел. 8(0332) 6-24-60, E-mail: Ldtu_pcb@ukr.net

Ужегова Ольга Анатольевна, к.т.н., доцент, кафедра промышленного и гражданского строительства Луцкого национального технического университета, тел. 8(0332) 6-24-60, E-mail: Ldtu_pcb@ukr.net

Трейман Евгений Александрович, к.т.н., доцент, кафедра промышленного и гражданского строительства Луцкого национального технического университета, тел. 8(0332) 6-24-60, E-mail: Ldtu_pcb@ukr.net