Введение
Строительный материал
Сборный бетон – это строительный продукт, изготавливаемый путем заливки бетона в многоразовую форму или "опалубку", которая затем твердеет в контролируемых условиях, транспортируется на строительную площадку и устанавливается на место; примерами служат сборные балки и стеновые панели для строительства методом подъема и установки. В отличие от этого, бетон, заливаемый непосредственно на строительной площадке, заливается в формы, изготовленные непосредственно на объекте, и твердеет там же. В последнее время в качестве сердечников сборных стеновых панелей все чаще используется легкий вспененный полистирол, что позволяет снизить вес и повысить теплоизоляцию. Искусственный камень отличается от сборного бетона более мелким заполнителем в смеси, благодаря чему результат приближается к натуральному продукту.
Обзор
Сборный железобетон применяется как во внутренних, так и во внешних работах – от строительства автомагистралей, мостов и высотных зданий до строительства зданий методом «наклонной заливки». Производство сборного железобетона в контролируемых условиях (обычно называемых заводом по производству сборных изделий) обеспечивает возможность его правильного твердения и тщательного контроля со стороны сотрудников завода. Использование системы сборного железобетона предлагает множество потенциальных преимуществ по сравнению с заливкой на месте. Производство сборного железобетона может осуществляться на уровне земли, что повышает безопасность процесса заливки. Контроль качества материалов и изготовления на заводе по производству сборных изделий выше, чем на строительной площадке. Формы, используемые на заводе, могут быть повторно использованы сотни или тысячи раз перед заменой, что часто делает их более экономичными, чем заливка на месте, в пересчете на единицу формы. Системы опалубки для сборного железобетона в архитектурных целях различаются по размеру, функциональности и стоимости. Архитектурные панели также используются для облицовки всего или части фасада здания, а также для возведения отдельно стоящих стен для ландшафтного дизайна, звукоизоляции и обеспечения безопасности. В подходящих случаях сборные изделия – такие как балки для мостов, автомагистралей и перекрытий парковок – могут быть предварительно напряженными конструктивными элементами. Сборный железобетон также используется для ливневой канализации, водопроводных и канализационных труб, а также для туннелей. Формы для сборного железобетона могут быть изготовлены из дерева, стали, пластика, резины, стекловолокна или других синтетических материалов, каждый из которых придает уникальную фактуру поверхности. Кроме того, доступно множество вариантов отделки поверхности для четырех типов сборных стеновых панелей – сэндвич-панелей, сэндвич-панелей со штукатуркой, внутренних слоев и облицовочных панелей, включая отделку, имитирующую горизонтальную доску и облицовочный камень. Цвет может быть добавлен в бетонную смесь, а пропорции и размер заполнителя также влияют на внешний вид и текстуру готовых бетонных поверхностей.
История
Древние римские строители использовали бетон и вскоре начали заливать его в формы для возведения сложной сети акведуков, водопропускных каналов и туннелей. Современные области применения технологии предварительного изготовления включают в себя разнообразные архитектурные и конструктивные решения – от отдельных элементов до целых строительных систем. В современном мире здания из сборных панелей впервые появились в Ливерпуле (Англия) в 1905 году. Этот процесс был изобретен городским инженером Джоном Александром Броди. В 1906 году были построены трамвайные депо в Уолтоне, в Ливерпуле. Эта идея не получила широкого распространения в Великобритании. Однако она была принята по всему миру, особенно в Центральной и Восточной Европе, а также в рамках программы «Миллион» в Скандинавии. В США производство сборного железобетона развилось в два подотрасли, каждая из которых представлена крупной ассоциацией. Отрасль сборных железобетонных конструкций, представленная в основном Институтом сборного/предварительно напряженного бетона (PCI), специализируется на предварительно напряженных бетонных элементах и других сборных бетонных элементах, используемых в надземных сооружениях, таких как здания, парковки и мосты, в то время как отрасль сборных бетонных изделий производит инженерные коммуникации, подземные и другие непредварительно напряженные изделия и представлена в основном Национальной ассоциацией сборного бетона (NPCA). В Австралии правительственные железные дороги Нового Южного Уэльса широко использовали сборные бетонные конструкции для своих станций и аналогичных зданий. В период с 1917 по 1932 год было возведено 145 таких зданий. Помимо облицовочных панелей и конструктивных элементов, целые здания могут быть собраны из сборного бетона. Сборка позволяет быстро завершить строительство коммерческих магазинов и офисов с минимальным количеством рабочей силы. Например, здание Джима Бриджера в Уиллистоне, Северная Дакота, было изготовлено в Миннесоте с предварительно установленными в панели здания системами вентиляции, электроснабжения, водоснабжения и оптоволокна. Панели были транспортированы на расстояние более 800 миль к нефтеносным районам Баккен, и коммерческое здание было собрано тремя рабочими за минимальное время. В здании размещено более 3700 квадратных метров магазинов и офисов. Практически все здание было изготовлено в Миннесоте.
Укрепление
Армирование бетона сталью повышает прочность и долговечность. Сам по себе бетон обладает хорошей прочностью на сжатие, но недостаточной прочностью на растяжение и сдвиг, и может растрескиваться при длительном воздействии нагрузок. Сталь обладает высокой прочностью на растяжение и сдвиг, компенсируя недостатки бетона. Сталь ведет себя схоже с бетоном в изменяющихся условиях окружающей среды, что означает, что она сжимается и расширяется вместе с бетоном, помогая предотвратить образование трещин. Арматура – наиболее распространенная форма усиления бетона. Обычно она изготавливается из стали и имеет ребристую поверхность для лучшего сцепления с бетоном при твердении. Арматура достаточно гибкая, чтобы ее можно было изгибать или собирать для поддержания формы любой бетонной конструкции. Наиболее часто для арматуры используется углеродистая сталь. Однако для защиты от коррозии применяются нержавеющая сталь, оцинкованная сталь и эпоксидные покрытия.
Продукты
Ниже приведены примеры многочисленных изделий, в которых применяется сборный/предварительно напряженный бетон. Хотя это не исчерпывающий список, большинство изделий из сборного/предварительно напряженного бетона обычно относятся к одной или нескольким категориям.
Сельскохозяйственные продукты
Поскольку изделия из сборного железобетона способны выдерживать самые суровые погодные условия и прослужат десятилетия при постоянной эксплуатации, они находят широкое применение в сельском хозяйстве. К ним относятся бункерные силосы, кормушки для скота, решетки для скота, сельскохозяйственные ограждения, кормушки типа H, кормушки типа J, настилы для скота, поилки для скота, кормушки, бетонные панели, каналы для навоза и многое другое. Предварительно напряженные бетонные панели широко используются в Великобритании для различных целей, включая сельскохозяйственные постройки, зернохранилища, силосные площадки, хранилища для навоза, ограждения для скота и общие подпорные стены. Панели могут использоваться в горизонтальном положении и размещаться внутри или перед полками двутавровых балок (I-beam). В качестве альтернативы панели могут быть залиты в бетонный фундамент и использоваться как консольная подпорная стена.
Удобства здания и площадки
Сборные железобетонные элементы и элементы благоустройства используются в архитектуре в качестве каминных полок, облицовки, отделочных изделий, аксессуаров и навесных стен. Конструктивные применения сборного железобетона включают фундаменты, балки, перекрытия, стены и другие несущие элементы. Необходимо, чтобы каждый несущий элемент был спроектирован и испытан на устойчивость к растягивающим и сжимающим нагрузкам, которым он будет подвергаться в течение всего срока эксплуатации. В сборных железобетонных панелях для конструктивных целей теперь используются ядра из вспененного полистирола, что делает их легче и обеспечивает теплоизоляцию. Многоэтажные автостоянки часто строятся из сборного железобетона. Строительство включает в себя сборку сборных парковочных элементов, таких как многоэтажные несущие стеновые панели, внутренние и внешние колонны, несущие перекрытия, балки, стеновые панели, лестницы и плиты. Эти элементы могут быть крупногабаритными; например, для установки модулей перекрытий двойного Т-образного сечения требуется использование систем подъема с помощью закладных элементов из сборного железобетона.
Подпорные стены
Предварительно напряжённый бетон применяется в широком спектре инженерных систем для удержания грунта. Продукция включает в себя коммерческие и жилые подпорные стены, береговые укрепления, панели для механически стабилизированных земляных сооружений и другие модульные блочные системы.
Санитарные и ливневые воды
Продукты для санитарной и ливневой канализации – это конструкции, предназначенные для подземной установки, разработанные специально для очистки и удаления загрязняющих веществ из санитарных и ливневых стоков. Эти изделия из предварительно напряженного бетона включают в себя резервуары для удержания ливневых вод, дождеприемники и смотровые колодцы.
Коммунальные сооружения
Для коммуникационных, электрических, газовых или паровых систем, сборные железобетонные конструкции защищают жизненно важные соединения и элементы управления для распределения ресурсов. Сборный железобетон нетоксичен и экологически безопасен. Продукция включает в себя: люки, изделия с пустотами, основания для опор освещения, шкафы для счетчиков, кабельные шкафы, смотровые колодцы, телекоммуникационные сооружения, площадки для трансформаторов, трансформаторные камеры, траншеи, здания для инженерных сетей, камеры для инженерных сетей, опоры для инженерных сетей, камеры с контролируемой средой (CEV) и другие сооружения для инженерных сетей.
Вода и продукты сточных вод
Заводские изделия для водо- и водоотведения предназначены для удержания или хранения воды, нефти или других жидкостей с целью их дальнейшей обработки в безопасные для окружающей среды жидкости и продукты для почвы. К ним относятся: системы аэрации, распределительные колодцы, дозировочные резервуары, поглотительные колодцы, жироуловители, фильтрующие траншеи, песко-маслоотделители и масловодоотделители, септики, резервуары для хранения воды и сточных вод, приемные колодцы, пожарные резервуары и другие изделия для водоснабжения и водоотведения.
Транспорт и связанные с движением продукты
Предварительно напряженные бетонные изделия используются в строительстве, обеспечении безопасности и защите дорог, аэропортов и железнодорожных транспортных систем. Продукция включает в себя: коробные водопропускные трубы, трехстенные водопропускные трубы, мостовые системы, железнодорожные переезды, шпалы, звукозащитные стены/барьеры, барьеры Джерси, сегменты тоннелей, бетонные ограждения, барьеры ТВЦБ, барьеры разделительной полосы, столбики и другие транспортные изделия. Предварительно напряженный бетон также может использоваться для строительства подземных переходов, наземных переходов и пешеходных тоннелей. Предварительно напряженный бетон также используется для роликовых путей некоторых метрополитенов с резиновыми шинами.
Модульная мостовая
Модульная брусчатка доступна в широкой цветовой гамме, различных формах, размерах и текстурах. Эти универсальные изделия из предварительно отлитого бетона могут быть спроектированы для имитации кирпича, камня или дерева.
Кладбищные изделия
Подземные склепы или мавзолеи нуждаются в водонепроницаемых конструкциях, способных выдерживать воздействие природных сил на протяжении длительного времени.
Сдерживание опасных материалов
Хранение опасных материалов, как краткосрочное, так и долгосрочное, становится все более важной экологической проблемой, требующей контейнеров, которые не только обеспечивают герметичность материалов, но и достаточно прочны, чтобы противостоять стихийным бедствиям или террористическим атакам.
Морские продукты
Морские подпорные стены, плавучие доки, подводная инфраструктура, настилы, ограждения и широкий спектр удобств – вот лишь некоторые области применения сборного железобетона на набережных. При проектировании с учетом значительного веса, изделия из сборного железобетона значительно эффективнее большинства материалов противодействуют выталкивающей силе воды.
Предварительно натянутый бетон
Предварительное напряжение – это технология создания напряжений в конструктивном элементе на этапе изготовления и/или монтажа для повышения его прочности и эксплуатационных характеристик. Эта технология широко применяется в бетонных балках, колоннах, шпандерах, одно- и двухтавровых плитах, стеновых панелях, сборных элементах мостов, балках с луковичной полкой, двутавровых балках и других конструкциях. Во многих проектах предварительно напряженный бетон оказывается наиболее экономичным решением, учитывая затраты на производство и обслуживание в течение всего срока эксплуатации.
Происхождение
Двухстенные железобетонные панели используются в Европе уже несколько десятилетий. Изначальная конструкция двухстенной панели состояла из двух слоев армированного бетона, разделенных внутренней полостью и соединенных встроенными стальными фермами. В связи с недавними опасениями по поводу энергопотребления, стало известно, что использование стальных ферм создает "мостик холода", снижающий теплоизоляционные характеристики. Кроме того, поскольку коэффициент теплового расширения стали отличается от коэффициента бетона, при нагревании и охлаждении сталь, не находящаяся внутри бетона, может создавать термические напряжения, приводящие к образованию трещин и отслоению.
Разработка
Для достижения более высоких тепловых характеристик в пустоты была добавлена теплоизоляция, а во многих современных применениях стальные фермы заменяются композитными (стеклопластик, пластик и т.д.) соединительными системами. Эти системы, разработанные специально для этих целей, также решают проблему разностного теплового расширения. Наилучшие тепловые характеристики достигаются при непрерывности теплоизоляции по всей толщине стены, то есть при полном тепловом разделении слоев до краев панели. Использование непрерывной теплоизоляции и современных композитных соединительных систем позволяет достигать значений R до R 28,2.
Характеристики
Общая толщина сэндвич-стенных панелей в коммерческом строительстве обычно составляет 8 дюймов, однако их конструкция часто адаптируется под конкретные требования проекта. В типичной 8-дюймовой панели бетонные слои имеют толщину 2 3/8 дюйма каждый, заключая в себе 3 1/4 дюйма высокоэффективного утеплителя. Внутренний и внешний бетонные слои соединяются (через слой утеплителя) с помощью системы креплений, обеспечивающей необходимую структурную прочность. Сэндвич-панели могут быть изготовлены любой желаемой длины и ширины, в пределах практических ограничений, обусловленных технологией производства, нагрузками при подъеме и транспортировке, а также требованиями к доставке. Панели высотой 9 футов встречаются наиболее часто, но возможна и высота до 12 футов. Технология производства предварительно напряженных сэндвич-панелей позволяет изготавливать их с готовой отделкой с обеих сторон. Такая отделка может быть очень гладкой, с окрашенными, тонированными или необработанными поверхностями; внутренняя поверхность по гладкости сопоставима с гипсокартоном и может быть отделана тем же способом, что и при традиционном строительстве с использованием гипсокартона. При желании бетону можно придать архитектурную отделку, окрасив его и/или придав текстуру. Цвета и текстуры могут имитировать кирпич, камень, дерево или другие узоры с помощью многоразовых форм, а в более сложных случаях в бетонную поверхность могут быть встроены настоящие кирпичи, камни, стекло или другие материалы. Оконные и дверные проемы формируются в стенах на заводе в процессе производства. Во многих случаях электропроводка и кабели связи, а также монтажные коробки заливаются непосредственно в панели в заданных местах. В некоторых проектах в панели также встраивают элементы инженерных сетей, сантехнику и даже отопительное оборудование, чтобы сократить время строительства на объекте. Плотникам, электрикам и сантехникам потребуется некоторое время, чтобы привыкнуть к особенностям работы с этими панелями. Однако в целом они продолжают выполнять свои обязанности в привычном порядке.
Применение и преимущества
Сэндвич-панели из предварительно напряженного бетона использовались практически во всех типах зданий, включая школы, офисные здания, многоквартирные дома, таунхаусы, кондоминиумы, отели, мотели, общежития и отдельно стоящие дома. Хотя обычно они рассматриваются как часть ограждающей конструкции или "оболочки" здания, их можно спроектировать так, чтобы они также выполняли функцию несущей конструкции, устраняя необходимость в балках и колоннах по периметру здания. Помимо энергоэффективности и эстетической гибкости, они обеспечивают отличную звукоизоляцию, исключительную долговечность (устойчивость к гниению, плесени и т.д.) и быстроту возведения. В дополнение к хорошим теплоизоляционным свойствам, сэндвич-панели требуют меньше рабочих этапов для завершения. По сравнению, например, с двойными стенами, которые необходимо утеплять и заполнять бетоном непосредственно на строительной площадке, сэндвич-панели требуют значительно меньше трудозатрат и подмостей.
Рынок бетона с предоплавленной конструкцией
В индустрии сборного железобетона доминируют проекты развития инфраструктуры, инициированные государством. Однако они также широко применяются при строительстве жилых (малоэтажных и многоэтажных) и коммерческих зданий благодаря своим многочисленным преимуществам. Эффективность, долговечность, простота монтажа, экономичность и экологичность этих изделий кардинально сокращают сроки возведения любых сооружений. Строительная отрасль – крупный потребитель энергии, и изделия из сборного железобетона являются и будут оставаться более энергоэффективными по сравнению с традиционными материалами. Разнообразие дизайнов, цветов и конструктивных решений, предлагаемое этими изделиями, также делает их привлекательным выбором для заказчиков.
Регламенты
Многие государственные и федеральные транспортные проекты в Соединенных Штатах требуют, чтобы поставщики сборного железобетона были сертифицированы либо Архитектурной ассоциацией сборного бетона, Национальной ассоциацией сборного железобетона, либо Институтом предварительно напряженного железобетона.