До настоящего времени расчет конструкций из бетонов на пористых заполнителях производили по главе СНиП II-В.1-62. При её составлении было накоплено мало опытных данных, поэтому она включала многочисленные ограничения и ссылки на специальные нормативные документы.
Большой теоретический и экспериментальный материал, накопленный в последние годы, позволил уточнить и дополнить ряд расчетных положений при составлении главы СНИП II-21-75. Здесь более широко охвачены вопросы расчета и проектирования конструкций из различных видов бетонов на разнообразных пористых заполнителях, в том числе новых. К ним относятся бетоны, приготовленные на трепельном гравии, на заполнителях из зол ТЭС и шунгизите (разновидности керамзитового гравия), а также бетоны на известняках-ракулшечниках (облегченные бетоны) и т. д.
Впервые в главе СНиП приводится классификация по различным признакам, которая полнее отражает специфику легких и облегченных бетонов на пористых заполнителях. В частности, бетоны в нормах подразделяются на плотные, поризованные и крупнопористые‚ отличающиеся структурой и областями применения. Приведены требования к бетонам на пористых заполнителях по морозостойкости и водонепроницаемости для различных условий работы конструкций.
Указаны расчетные объёмные массы (в высушенном состоянии): от 600 до 1800 кг/м3 для легких и от 1800 до 2200 кг/м3 для облегченных бетонов.
Установлено, что, несмотря на различные свойства пористых заполнителей (керамзит и его разновидности, аглопорит, шлаковая пемза, вспученный перлит, туфы, пемзы, известняки-ракушечники и др.), у бетонов имеется ряд общих закономерностей и свойств. Например, в конструктивных легких бетонах прочность крупного пористого заполнителя почти всегда значительно ниже прочности растворной составляющей, поэтому при силовых воздействиях их разрушение происходит по зернам заполнителей и прослойкам раствора, а не от нарушения сцепления заполнителей с раствором, как в тяжелом бетоне. Сцепление пористых заполнителей с растворной частью значительно выше, чем у плотных заполнителей, что является следствием не только пористой шероховатой поверхности гранул; но и физико-химического воздействия цементного камня и заполнителей вследствие самовакуумирования, упрочнения контактной зоны, а также образования новых гидратных соединений. Положительным фактором является также и «совместимость» показателей упругих свойств пористых заполнителей и растворного скелета, в то время как у тяжелых бетонах прочность и модуль упругости заполнителей в несколько раз выше, чем у раствора. Поэтому в легких бетонах снижается концентрация напряжений на границе пористых заполнителей и цементного скелета и вследствие этого, как правило, повышаются допускаемые напряжения, соответствующие границе микротрещинообразования и переходу линейной ползучести в нелинейную.
Отдельные виды легких и облегченных бетонов имеют различные упругопластические свойства. Это учитывается уточнением ряда коэффициентов и параметров.
В главе СНиП II-21-75 приведены откорректированные расчетные характеристики прочности при растяжении, модулей упругости и др. расчетные положения. Охватывают вопросы прочности, трещиностойкости и деформативности конструктивных и конструктивно-изоляционных бетонов марок 100 и ниже.
Достаточно четко установлено, что коэффициент призменной прочности легких бетонов всех видов и марок выше, чем у тяжелого бетона. Учет этого фактора при проектировании и расчете конструкций из легких бетонов в ряде случаев мог бы улучшить их технико-экономические показатели. Однако при повышенной призменной прочности в легких бетонах из-за малых неупругих деформаций хуже перераспределяются напряжения по высоте сечения во внецентренно сжатых изгибаемых элементах. Поэтому прочность таких элементов из легких бетонов (при одинаковой кубиковой прочности с тяжелым бетоном) остается на уровне таких же элементов из тяжелого бетона. Это послужило причиной того, что коэффициенты призменной прочности легкого и тяжелого бетона приняты одинаковыми.
Благодаря хорошему сцеплению пористых заполнителей с растворной частью и упрочнению растворной составляющей при твердении легкого бетона сопротивление растяжению большинства бетонов на пористых заполнителях находится на уровне тяжелого бетона. Однако сопротивление осевому растяжению бетонов на крупном и мелком пористых заполнителях и поризованных легких бетонов приняты пониженными на 10-20%.
Опыт свидетельствует о том, что выносливость легких бетонов при многократном воздействии нагрузки, а также при импульсном её приложении не ниже, чем в тяжелых бетонах, сопротивление смятию легких бетонов марок 150-250 такое же, как в тяжелых бетонах. В легких бетонах более высоких марок наблюдается снижение прочности при смятии по сравнению с тяжелым бетоном.
Сцепление стержневой, проволочной и прядевой арматуры со многими видами легких бетонов средних и высоких марок не хуже, чем с равнопрочными тяжелыми бетонами. Оно несколько ниже лишь с некоторыми видами легких бетонов, в частности на естественных пористых заполнителях. Коэффициенты безопасности k приняты одинаковыми для тяжелого и легкого бетона.
В отличие от старых норм‚ в новых нормах модули упругости легких бетонов Еб приняты в зависимости от прочности при сжатии и объемной массы (см. рисунок).
Отмеченные особые свойства легких бетонов учтены при разработке расчетных положений по 1-й и 2-й группам предельных состояний.
В последние годы установлено, что граница переармирования элементов из конструктивных и высокопрочных легких бетонов ниже по сравнению с тяжелым бетоном той же прочности. В новых нормах это обстоятельство отражено при определении граничной относительной высоты сжатой зоны бетона. По сравнению с тяжелым бетоном граничное значение относительной высоты сжатой зоны для бетонов на пористых заполнителях снижено 10-15% в зависимости от марок бетона и класса арматурной стали.
Большое внимание при разработке новых норм было уделено расчету гибких сжатых элементов из бетонов на пористых заполнителях. Упругопластические свойства и деформативность различных видов таких бетонов в расчете гибких элементов учитываются при определении NКР значением Еб и параметром β, зависящим от ползучести бетона. В новых нормах значения коэффициента β приняты дифференцированно в зависимости от видов бетона. Бетоны на пористых заполнителях подразделены на три группы: с малой, средней и повышенной ползучестью.
Важно отметить, что при переходе на проектирование сжатых элементов из легких бетонов по новым нормам устранены понижающие коэффициенты условной работы то, которые имелись в главе СНиП II-В.1-62. Отказ от понижающих коэффициентов заметно увеличил эффективность применения легких бетонов в сжатых элементах. Увеличены также предельные диаметры растянутой и сжатой арматуры (до 32 мм) для изгибаемых и внецентренно сжатых элементов, а также повышены значения расчетных сопротивлений сжатой арматуры классов А-IV и выше. Значения коэффициентов и параметров в формулах по расчету прочности по наклонным сечениям и условий трещинообразования в элементах из легкого бетона приняты с учетом свойств бетонов на пористых заполнителях.
При расчете трещиностойкости элементов по нормальным сечениям учитывается повышенная усадка легких бетонов.
Усилие NУС в формуле ядровых моментов без преднапряжения рассматривают как внешнюю растягивающую силу, вызванную усадкой бетона. Напряжение в арматуре от усадки σУС условно принимается равным 2/3 потерь напряжения от усадки в преднапряженных конструкциях.
Для расчета деформаций элементов из легких бетонов значения коэффициентов, учитывающих длительность действия нагрузки С и ν, отличаются от таковых для тяжелого бетона и принимаются дифференцированно в зависимости от реологических свойств легких бетонов.
При конструировании элементов из бетонов на пористых заполнителях в новых нормах учитывают их свойства, которые в той или иной степени влияют на прочность, жесткость и трещиностойкость, а также на долговечность конструкций.
В настоящее время НИИЖБ при участии других организаций подготавливает в развитие главы СНиП II-21-75 «Руководство по проектированию конструкций из бетона на пористых заполнителях» с примерами расчета. В этот документ предполагается включить пояснения отдельных положений новой главы СНиП и шире осветить вопросы расчета прочности по нормальным и наклонным сечениям, по трещиностойкости и др.
Новая глава СНиП и «Руководство по проектированию конструкций из бетона на пористых заполнителях» обобщает большой отечественный и зарубежный опыт исследований и проектирования.
Опираясь на эти документы, проектировщики смогут более правильно учитывать свойства бетонов на пористых заполнителях, что будет содействовать широкому внедрению ограждающих и несущих конструкций из легких бетонов в различных отраслях нашего строительства