Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Russian Federation
In industrial housing construction, the improvement of enclosing structures is aimed at improving their operational characteristics in order to create a durable shell of buildings that requires the least cost of repairs and creates comfortable conditions for people to live. To ensure high thermal protection characteristics of buildings, three-layer structures made of materials with various physical and mechanical characteristics of layers and ways of connecting them to each other, ensuring their joint work, have been widely used. One of such methods is the creation of a monolithic-bonded cement matrix, which during operation changes its strength and deformation characteristics and affects the stress-strain state of a multilayer reinforced concrete structure as a whole. Temperature fluctuations were carried out under simulated conditions of exposure from different sides of the tested structure when testing models of multilayer enclosing structures of monolithic cross-section, the strength parameters of the concrete of the middle layer and the contact zone of the layers were compared, as a result of which a decrease in the strength of the layers after exposure was established, not exceeding regulatory requirements.
energy efficiency, lightweight concrete, sandwich structures, climatic tests, concrete with low transcalency, strength, polystyrene aggregate concrete
Введение
Создание комфортных условий проживания в жилых зданиях связано с технологиями повышения их теплозащиты. В этой связи одной из актуальных задач является разработка новых разновидностей ограждающих конструкций и совершенствование применяемых в практике строительства. Опыт эксплуатации получивших в последние годы широкое распространение трехслойных конструкций с применением конструкционных материалов в наружных слоях и теплоизоляционных, расположенных между ними, показал, что большинство таких конструкций требует совершенствования в направлении повышения их долговечности и надежности [1]. Это связано с тем, что средний теплоизоляционный слой имеет существенно меньший срок службы по сравнению с наружными слоями, что влияет на качество всего эксплуатационного периода жизненного цикла зданий и приводит к необходимости разработки технических решений либо по замене утеплителя, либо по устройству дополнительной теплоизоляции в процессе эксплуатации.
Разработанные конструктивные решения с применением в качестве теплоизоляционного слоя легких бетонов низкой теплопроводности, связь между слоями которых осуществляется в процессе последовательной укладки в едином технологическом цикле мало изучены с точки зрения обеспечения требуемых параметров прочности сцепления слоев при эксплуатации в различных климатических условиях с учетом сезонного колебания температур [2, 3]. Это связано с тем, что в период отрицательных наружных температур воздуха не только наружный слой из конструкционного бетона, но и внутренний, из теплоизоляционного бетона, а также зона контакта слоев, могут попадать в зону попеременного замораживания и оттаивания. Выполненные ранее малочисленные экспериментальные исследования ограничены как диапазоном физико-механических характеристик материалов, так и количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания []. Для обеспечения их безопасной эксплуатации в течении всего жизненного цикла необходимо иметь экспериментальные данные о характере и параметрах изменения прочностных характеристик контактной зоны в условиях сезонного колебания температур.
Методы
Обобщение полученных ранее результатов экспериментальных исследований выявило, что для трехслойных железобетонных элементов из бетонов с различными прочностными характеристиками и монолитной связью слоев прочность сцепления слоев в зоне контакта выше, чем прочность бетона среднего слоя. Эта закономерность была установлена при испытании на растяжение трехслойных образцов с наружными слоями из керамзитобетона класса по прочности на сжатие В 12,5 и теплоизоляционным слоем из полистиролбетона низкой прочности – В 0,35, В 0,75, В 1. Их разрушение при растяжении происходило по среднему слою из бетона наиболее низкой прочности, без каких-либо видимых нарушений слитности контактного слоя [3]. Следует отметить, что эти испытания образцов проводились после набора прочности и хранения их в нормальных условиях.
Основной областью применения трехслойных железобетонных конструкций являются стены и покрытия зданий, которые выполняют теплоизоляционные функции и находятся в зоне климатических сезонных перепадов температур. Это обуславливает необходимость получения экспериментальных данных об изменении прочностных характеристик контактного слоя между различными бетонами в процессе эксплуатации.
Для изучения влияния колебаний температуры на монолитную связь бетонных слоев в конструкции, были запроектированы и изготовлены модели элементов трехслойной железобетонной конструкции толщиной 400 мм с наружными слоями из легкого конструкционного бетона на основе керамзитового гравия и теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности на основе вспененного полистирольного заполнителя. Толщины наружных слоев приняты 50 мм, внутреннего - 300 мм. Проектный класс бетона наружных слоев выбран В 3,5, В7,5 и В12,5 внутреннего - В 0,35; В0,5; В0,75. Самый низкий класс конструкционного бетона наружных и среднего слоев был выбран из условий обеспечения лучших теплотехнических характеристик из возможных по конструктивным требованиям. Геометрические размеры фрагментов панелей составляли 1200х1000х400 мм, и были максимально приближены к ранее проводимым исследованиям для получения сопоставимых результатов [4, 8, 9, 11].
В процессе проведения экспериментальных исследований модели помещались в климатическую камеру, где подвергались попеременному замораживанию и оттаиванию в течение 50 циклов. Диапазон температур, имитирующий наружный воздух, изменялся в пределах от –350С до +700С, влажность воздуха составляла 100%. Для дополнительного увлажнения наружного слоя конструкции производилось периодическое опрыскивание из дождевальной установки. Как в процессе испытания, так и после его завершения при визуальном осмотре конструкции не было выявлено расслоений по контакту слоев.
Для определения прочности сцепления бетонов наружного и внутреннего слоев из конструкции после каждого цикла попеременного замораживания и оттаивания высверливались керны диаметром 60 мм и глубиной 50 мм из условий обеспечения разрушения по зоне контакта слоев при передаче нагрузки. К кернам приклеивались анкера, которые выдергивались при помощи испытательного прибора НР 1000 PTSube GmbH, фиксирующего нагрузку при отрыве со скоростью возрастания растягивающего усилия 200 Н/с. Технические характеристики прибора позволяют передавать нагрузку на образец в диапазоне 0,6 до 9 кН.
Для испытанных образцов определялась нагрузка при отрыве по контактной зоне слоев. От нагрузки при отрыве осуществлялся переход к прочности бетонов на растяжение.
При выдерживании опытных конструкций в течении 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания прочность контактного слоя уменьшалась. В дальнейшем, при увеличении количества цикло до 50-ти это снижение практически не возрастало. Наиболее существенно снижение прочности контактного слоя выявлено для образов с наименьшей прочностью бетона наружных и среднего слоев. Так, для образцов с наружными слоями из бетонов класса В15 снижение прочности бетона составляло не более 15%, В7,5 – увеличивалось до 20%, а В3,5 – достигало 30-35%.
а)
б) 
в) 
Рис. 1. Изменение прочности контактной зоны при различных соотношениях прочностных характеристик смежных слоев:
а — наружный слой из бетона класса В12,5; б — В7,5 и в — В3,5
Обсуждение
Вопросы долговечности ограждающих конструкций, особенностью эксплуатации которых является их взаимодействие с наружной и внутренней средой зданий и сооружений, рассмотрены в ряде работ ведущих ученых [10,11,12]. Ими установлено, что при отрицательных температурах во влажном бетоне происходят криогенные фазовые превращения – часть жидкой влаги, содержащейся в порах, переходит в лед, а когда объем льда превышает объем замерзшей воды примерно на 9%, происходит увеличение давления на стенки капилляров в теле бетона. Как следствие, в материале возникают растягивающие напряжения, приводящие к его деструкции, образованию микротрещин и накоплению остаточных деформаций. Многократное повторение замораживания и оттаивания может привести к разрушению пористого увлажненного материала.
В многослойных ограждающих конструкциях при климатических воздействиях происходит промерзание, как наружного, так и части среднего слоя, а соответственно и зоны их контакта. Различие физико-механических характеристик материалов слоев являются причиной различий деформаций материалов под давлением от растущих кристаллов льда и незамерзшей влаги в порах, что ведет к образованию в зоне контакта неравномерных деформаций с последующим отслоением.
Для обеспечения надежной совместной работы монолитно-связанных при изготовлении железобетонной конструкции слоев из бетонов различной прочности необходимо определить допустимый диапазон соотношений их физико-механических характеристик с учетом особенностей их эксплуатации в различных климатических условиях.
Проведенные исследования выявили, что при формировании монолитной связи слоев в многослойных железобетонных конструкциях прочность контактной зоны оказывается в 2-3 раза более высокой по сравнению с прочностью среднего слоя. Поэтому, даже если в процессе эксплуатации она снижается имеется запас прочности для обеспечения сплошности сечения. Поскольку с уменьшением прочности бетона наружных слоев эта тенденция нарастает, необходимо вводить ограничения для используемых классов бетонов при проектировании таких конструкций.
Заключение
В диапазоне заданного изменения температур и физико-механических характеристик материалов многослойной конструкции выявлено, что монолитная связь бетонных слоев не нарушается и визуально расслоения конструкции не наблюдалось. Снижение прочности зоны контакта слоев не достигает критических предельных значений, при которых происходит разрушение по контактному слою от растяжения или сдвига. Динамика снижения прочности зависит от различных факторов, в том числе и от проектируемых параметров прочности бетонов наружных и среднего слоя.
Испытания моделей многослойных железобетонных конструкций из бетонов различной прочности с монолитной связью слоев, образующейся за счет адгезии в процессе изготовления, в климатической камере и установленные зависимости снижения прочности контактного слоя в таких конструкциях позволяют сделать вывод о целесообразности установки конструктивной поперечной арматуры для обеспечения связи слоев и соответственно безопасной работы конструкций, подверженных температурно-влажностным воздействиям.
1. Lam T.V., Vu D.T., Dien V.K., Bulgakov B.I., Korol E.A. Properties and thermal insulation performance of lightweight concrete. // Magazine of Civil Engineering, 2018, Volume 84, Issue 8, pp. 173-191.
2. Vu Dinh Tho, Korol E.A. Influence of contact layers on cracking resistance of bending three-layer structures. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(7):988-998. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.7.988-998 (rus.)
3. Korol E.A., Marina Berlinova. Calculation of multilayer enclosing structures with middle layer of polystyrene concrete. // MATEC Web Conf, 2018, Volum 193, pages 7.
4. Korol E.A., Kharkin Y.A. To the question of choosing a software package for modeling the stress-strain state of three-layer reinforced concrete elements and structures with a monolithic bond of layers. // Scientific and technical journal on construction and architecture (The Bulletin), 2010, Volume 3, pp.156-166.
5. Kustikova Y. Model of stressed-strained state of multi-layered reinforced concrete structure with the use of composite reinforcement. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, Volume 365, Issue 5, pages 11.
6. Tho V.D., Korol E.A. Influence of geometrical parameters of the cross section, strength and deformability of the materials used on stressstrain state of three-layered reinforced concrete. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Volume 661, 10 pages.
7. Andreev V.I., Turusov R.A., Tsybin N.Y. Application of the Contact Layer in the Solution of the Problem of Bending the Multilayer Beam. // Procedia Engineering, 2016, Volume 153, pp. 59-65.
8. Gara F., Ragni L., Roia D., Dezi L. Experimental tests and numerical modelling of wall sandwich panels. // Eng. Struct, 2012, Volume 37, pp. 193-204.
9. Tho V.D., Korol E.A. Influence of geometrical parameters of the cross section, strength and deformability of the materials used on stressstrain state of three-layered reinforced concrete. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Volume 661, pages 10.
10. Alexandrovskij S.V. Durability of external enclosing structures. Moscow, Publishing house NIISF, 2004.
11. Korol E.A., Pugach E.M., Nikolaev A.E. Experimental studies of the adhesion of concretes of various strengths in multilayer reinforced concrete elements // Magazine «Concrete Technologies”. 2006. Vol. 4, Pp. 54-55.
12. Methodology manual 2016-03. The strength of concrete in structures and products. The method of performing measurements during full-scale tests by the anchor method. Moscow, Publishing house NIIZhB, 2003.
