Blog

Lengvasis konstrukcinis betonas: šiuolaikinės taikymo perspektyvos transporto statiniuose

Tiltų statyboje lengvasis betonas pirmą kartą panaudotas 1936 m. San Francisko ir Oklando miestus jungiantį tiltą, dažniausiai vadinamą Įlankos tiltu (angl. Bay Bridge). (2 pav.).

Per beveik 150 metų betonas tapo plačiausiai taikoma konstrukcine medžiaga, kurios išskirtinumą lemia plačios taikymo galimybės ir sudėtinga mechaninė elgsena. Šiuolaikiniame pasaulyje betonas tapo antrąja (po vandens) žmonijos labiausiai naudojama medžiaga – per metus pasaulyje vienam gyventojui vidutiniškai tenka 3 tonos betono. Palyginti su kitomis medžiagomis (plienu, mediena, plastiku, aliuminiu), betono gamybos apimtis yra dvigubai didesnė nei kitų tradicinių statybinių medžiagų kartu sudėjus. Prognozuojama, kad iki 2050 m. betono gamyba pasaulyje gali siekti maždaug 28 mlrd. tonų per metus ir 4 kartus viršyti 1990 m. lygį.

Lengvojo betono pranašumas

Tradicinis betonas kaip kompozitinė medžiaga turi ne tik pranašumų, bet ir nemažai trūkumų. Vienas pagrindinių – didelė tūrio masė, kuri dažnai riboja jo taikymą didelių gabaritų statiniams: tiltams, daugiaaukščiams pastatams ir kt. Ši tendencija visame pasaulyje paskatino ieškoti inovatyvių betono mišinių. Vienas šios problemos sprendimo kelių – lengvinti betoną. Taikant šiuolaikinius technologinius sprendimus, atsiranda galimybė kurti sudėtis, kurių savybės tokios pat, o kartais ir pranašesnės, palyginti su įprastu betonu, o tūrio svoris iki 40 proc. mažesnis.

Konstrukcinio lengvojo betono naudojimas statiniams turi daug pranašumų. Visų pirma, jis turi efektyvesnį stiprio ir savojo svorio santykį, dėl to mažėja reikiamo betono ir armatūros kiekis, atsiranda galimybė statyti aukštesnius pastatus, sumažinti išlaidas įrengiant pamatus. Šiuo aspektu lengvasis betonas ypač svarbus stiprinant ar rekonstruojant eksploatuojamus statinius, pavyzdžiui, tiltus, kai papildomas atramų ar pamatų apkrovimas nėra galimas. Lengvasis betonas turi geresnes šilumos ir garso izoliacines savybes.

Pasaulyje atlikti tyrimai parodė, kad tuo atveju, jei pastatams Europoje vietoj įprasto betono būtų panaudotas lengvasis, šilumos energijos sąnaudas būtų galima sumažinti apie 15 procentų. Be minėtų pranašumų, šalia įprasto betono lengvasis betonas pasižymi geresnėmis ilgaamžiškumo savybėmis (didesnis atsparumas šalčiui ir kt.), didesniu at sparumu gaisrui ir seisminėms apkrovoms.

Papildomų galimybių suteikia savaime tankėjančio betono mišinių taikymas. Mažesnės tūrio masės ir savaiminio tankėjimo sujungimas leidžia pagerinti eksploatacines ir technologines betono bei iš jo gaminamų elementų savybes. Taikant savaime tankėjančius mišinius, nereikalaujančius papildomo tankinimo gamybos metu, konstrukcijų kaina vidutiniškai sumažėja apie 10 proc., o statybos trukmė iki 20 procentų.

Koliziejus Romoje (1a pav.).

Koliziejus Romoje (1a pav.).

Panteonas Romoje (1b pav.)

Panteonas Romoje (1b pav.).

Naudotas prieš kelis tūkstančius metų

Lengvasis betonas – ne nauja medžiaga. Natūralus vulkaninės kilmės lengvojo betono užpildas, toks kaip pemza ir šlakas, buvo žinomas ir naudojamas graikų bei romėnų dar prieš krikščionybės erą. Įspūdingi senoviniai statiniai, tokie kaip Koliziejus (1a pav.) ir Panteonas Romoje (1b pav.) ar Sofijos soboras Stambule, buvo pastatyti naudojant lengvojo betono elementus arkinėms ir skliautinėms konstrukcijoms.

Vėliau, iki pat XX a., konstrukcinis lengvasis betonas nebebuvo plačiai taikomas. Tik XX a. pirmoje pusėje jį vėl imta naudoti statybos pramonėje. Šiuo laikotarpiu sukurtas dirbtinis lengvasis užpildas – keramzitas, pagamintas naudojant vamzdinę degimo krosnį. Tokiu būdu išgauti lengvieji užpildai buvo pritaikyti laivų korpusų statybai per Pirmąjį pasaulinį karą. Žymiausias toks laivas pastatytas JAV, pavadintas „U.S.S. Selma“ ir pradėtas eksploatuoti 1919 metais. Pastarosios tendencijos JAV ypač paplito Antrojo pasaulinio karo metu, kai, panaudojant lengvąjį betoną, pastatyta daugiau nei 100 karinių 3000–140 000 tonų svorio laivų. Sėkminga šių laivų eksploatacija davė reikšmingą impulsą plačiau naudoti konstrukcinį lengvąjį betoną pastatų ir tiltų statyboje.

Pirmasis didelis projektas panaudojant konstrukcinį lengvąjį betoną pradėtas 1928–1929 m., kai telefonų kompanija „Southwestern Bell“, įsikūrusi Kanzaso mieste, panoro paaukštinti savo pastatą aštuoniais papildomais aukštais, naudodama įprasto svorio betoną. Inžinieriai pastebėjo, kad, pasirinkus lengvojo betono mišinius su pūsto skalūno užpildu, pastatą būtų galima saugiai paaukštinti papildomais keturiolika aukštų. Toks sprendimas leido pastato aukštį padidinti dvigubai – iš 14 pastatas tapo 28 aukštų dangoraižiu. Iš viso pastato savasis svoris sumažėjo ~4000 tonų, palyginti su pastato, jei būtų buvęs panaudotas įprastas betonas, svoriu.

Raftsundo tiltas Norvegijoje (3a pav.).

Raftsundo tiltas Norvegijoje (3a pav.).

Stolmos tiltas Norvegijoje (3b pav.).

Stolmos tiltas Norvegijoje (3b pav.).

Pirmasis tiltas – Amerikoje

Tiltų statyboje lengvasis betonas pirmą kartą panaudotas 1936 m. San Francisko ir Oklando miestus jungiantį tiltą, dažniausiai vadinamą Įlankos tiltu (angl. Bay Bridge). (2 pav.).

Lengvojo betono mišinys panaudotas viršutinei standumo sijos daliai. Tai leido 1,2 kPa sumažinti nuolatinę apkrovą, kas sudarė apie 15 800 tonų visam statiniui. Bendra statinio kaina sumažėjo 3 mln. JAV dolerių.

Konstrukcinio lengvojo betono mišinių panaudojimas tiltų statyboje daugelyje šalių gerokai išaugo XX a. šeštajame dešimtmetyje. Armuotojo lengvojo betono perdangos panaudotos Benišos-Martineso tiltui San Franciske (JAV), tiltui virš Napos upės Kalifornijoje (JAV), Dyckerhoffo pėsčiųjų tiltui (Vokietija), Hermannswego tiltui (Vokietija), Raftsundo ir Stolmos tiltams (Norvegija), tiltui virš Abavos upės, viadukui A2 kelyje (Latvija) ir daugelyje kitų statinių. Iš paminėto sąrašo galima išskirti du ilgiausius pasaulyje gelžbetoninius gembinius Raftsundo (3a pav.) ir Stolmos (3b pav.) tiltus Norvegijoje, kurių viduriniams ∼300 m tarpatramiams panaudotas lengvasis betonas.

Šiuolaikinio lengvojo betono taikymo gerosios praktikos pavyzdžių toli ieškoti nereikia. Kaimyninėje Latvijoje lengvojo betono mišiniai panaudoti rekonstruojant mūrinius arkinius tiltus per Abavos upę Kandavoje (4a pav.) ir per Ventos upę Kuldygoje (4b pav.). Per abiejų tiltų rekonstrukciją sustiprinta arkinė perdanga išsaugant istorinę tilto išvaizdą. Rekonstruojant arkų viduje esantis smėlio užpildas pakeistas lengvuoju betonu, kurio klasė LC16/18, o tankis 1730 kg/m³. Šio betono panaudojimas sumažino tilto perdangos savąjį svorį ir leido išvengti tilto pamatų stiprinimo. Taip pat galima paminėti viaduką A2 kelyje. Vantinės sistemos statinyje panaudota trijų tar pa tramių nekarpyta plokštinė perdanga iš betono su lengvais užpildais, kurio charakteristinis gniuždomasis stipris siekė apie 45 MPa, o tankis apie 1950 kg/m³.

Rekonstruotas arkinis tiltas per Abavos upę Latvijoje (4a pav.).

Rekonstruotas arkinis tiltas per Abavos upę Latvijoje (4a pav.).

Rekonstruotas arkinis tiltas per Ventos upę Latvijoje (4b pav.).

Rekonstruotas arkinis tiltas per Ventos upę Latvijoje (4b pav.).

Tobulina Lietuvos mokslininkai

Lietuvoje lengvasis betonas daugiausia nagrinėtas kaip termoizoliacinė arba atitvarinė medžiaga, nepasižyminti dideliu gniuždomuoju stipriu. Anksčiau didelis dėmesys buvo skiriamas keramzitbetonio plokščių tyrimams, jos sovietmečiu buvo plačiai naudojamos daugiabučių pastatų išorinėms sienoms. Šioje srityje galima išskirti negausius Vilniaus Gedimino technikos (VGTU) ir Kauno technologijos (KTU) universitetų tyrėjų darbus. VGTU Statybinių medžiagų katedroje 2011 m. sukurtas ir užpatentuotas lengvojo betono su keramzito užpildu mišinys, kurio gniuždomasis stipris siekė 18,5 MPa, o tankis iki 1400 kg/m³. Vis dėlto dėl pernelyg mažo gniuždomojo stiprio jo praktinis taikymas laikančiosioms konstrukcijoms yra ribotas. KTU Statybinių medžiagų katedroje sukurtas 37,5 MPa gniuždomojo stiprio ir 1780 kg/m³ tankio mišinys, panaudotas P. Vileišio tilto per Nerį Kaune šalitilčių plokštėms.

Lengvasis betonas yra gaminamas įtraukiant oro tarpus į betono mišinius. Galima išskirti tris pagrindinius lengvojo betono tipus:

1) lengvųjų užpildų betonas (tuštumos yra pačiuose užpilduose);

2) akytasis betonas ir putų betonas (tuštumos yra cemento pastoje);

3) betonai be smulkiojo užpildo (smėlio yra atsisakoma ir tuštumos susidaro tarp stambiųjų užpildų dalelių).

Konstrukcinio lengvojo betono mišiniui pagaminti greta sunkiojo užpildo (smėlio, žvyro, skaldos) taikomi natūralūs arba dirbtiniai lengvieji užpildai (1 tipas). Dirbtiniai užpildai apima ir antrines žaliavas, kurių taikymas betono mišiniams vystant žiedinės ekonomikos koncepciją pastaruoju metu ypač suintensyvėjo. Konstrukcinio lengvojo betono tankis dažniausiai kinta tarp 1400–2000 kg/m³, o gniuždomasis stipris po 28 kietėjimo parų – tarp 10–70 MPa. Esminė lengvųjų užpildų ypatybė yra didelis poringumas. Tai sumažina medžiagos savitąjį tankį. Dažniausiai taikomų užpildų pavyzdžiai pateikti 6 paveiksle.

Taikant skirtingus užpildus, galima gauti skirtingo tankio betoną. Lengvojo betono klasifikacija pagal jo tankį pateikta 7 paveiksle. Būtina pabrėžti, kad ne visi užpildai yra tinkami konstrukciniam betonui. Reikšmingas efektas gali būti gaunamas vienu metu mišinyje naudojant kelis užpildus.

6 pav. Konstrukcinio lengvojo betono gamyboje naudojami užpildai.

6 pav. Konstrukcinio lengvojo betono gamyboje naudojami užpildai.

Sukūrė unikalų betono mišinį

Vykdant Lietuvos mokslo tarybos finansuotą mokslininkų grupių projektą „Armuoto savaime sutankėjančio lengvojo betono elementų fizikinių modelių kūrimas ir taikymas (SECOLAC)“ 2015–2017 m. VGTU sukurtas savaime tankėjančio lengvojo betono mišinys. Lietuvoje toks mišinys sukurtas pirmą kartą. Lengvojo savaime tankėjančio betono gamybai panaudotas klasikinis keramzito užpildas ir inovatyvus sprendimas – perdirbto stiklo granulės. Taikant šiuos užpildus, gauti betono mišiniai, kurių gniuždomasis stipris kito nuo 23,9 iki 102,5 MPa, o tankis nuo 1458 iki 2348 kg/m³. Naudojant kitus užpildus, sunku pasiekti numatytas mechanines arba fizikines savybes (pavyzdžiui, gniuždomąjį stiprį arba tankį). Kai kuriais atvejais mišiniai nėra priimtini technologiniu požiūriu. Geriausi rezultatai gauti kombinuojant kelis užpildus viename mišinyje. Tyrimų metu pasiūlyta lengvojo savaime tankėjančio betono su stiklo granulėmis tankio ir stiprio priklausomybė, leidžianti pasirinkti mišinio sudėtis pagal numatytus stiprio ir tankio kriterijus: minimalus tankis – nuo 1400 kg/m³, minimalus gniuždomasis stipris – nuo 40 MPa. Visi nagrinėti betono mišiniai (išskyrus kai kurias nedideles išimtis) tenkino ilgaamžiškumo savybių reikalavimus, t. y. užtikrinamos šių mišinių konstrukcinio taikymo galimybės ilgalaikės eksploatacijos požiūriu.

7 pav. Lengvojo betono užpildo klasifikavimas pagal jų tankį.

7 pav. Lengvojo betono užpildo klasifikavimas pagal jų tankį.

Keis įprastas technologijas

Projekto vykdymo laikotarpiu sukurti betono mišiniai panaudoti atliekant armuotojo lengvojo betono sijų eksperimentinius tyrimus. Būtina pabrėžti, kad praktiniu požiūriu šių elementų fizikinius ir mechaninius parametrus lemia tinkamumo ribinis būvis, t. y. elementų pleišėjimas ir deformacijos. Gauti eksperimentinių tyrimų rezultatai panaudoti sukuriant betono fizikinius medžiagų modelius ir juos pritaikant armuotojo lengvojo betono elementų skaitinėje analizėje. Pasiūlyti algoritmai panaudoti vertinant natūralaus dydžio prototipinių armuotojo lengvojo betono elementų atitiktį Europos darniuose standartuose reglamentuojamiems tinkamumo ribinio būvio reikalavimams. Prototipinių realaus dydžio konstrukcijų teorinių ir eksperimentinių rezultatų sugretinimas patvirtino siūlomos koncepcijos adekvatumą ir tinkamumą realių lengvojo betono konstrukcijų tinkamumo ribinio būvio analizei. Pasiūlytasis modelis ateityje gali būti taikomas kaip įrankis tikslinant arba tobulinant projektavimo normų metodus, siekiant užtikrinti didesnį jais gaunamų rezultatų patikimumą. Pradėti tyrimai tęsiami vykdant visuotinės dotacijos projektą „Armuoto betono konstrukcijų ilgaamžiškumo didinimas: inovatyvi pleišėjimo modeliavimo koncepcija“, kuris finansuojamas ES struktūrinių fondų lėšomis, skirtomis Žmogiškųjų išteklių plėtros veiksmų programos prioritetui „Tyrėjų gebėjimų stiprinimas“.

Šiuolaikinės tiek gamybos, tiek projektavimo technologijos leidžia užtikrinti inovatyvių konstrukcinių sprendimų kūrimą, plėtrą ir diegimą realiuose projektuose. Lengvojo savaime tankėjančio betono taikymas realiuose statiniuose ne tik sudarytų sąlygas inovacijų diegimui versle, bet ir neabejotinai sukurtų pridėtinę vertę statybos pramonės sektoriui, paskatintų inovatyvių sprendimų tolesnę plėtrą Lietuvoje, keičiant ilgus metus šalies statybos pramonėje nusistovėjusias tradicijas.

Straipsnis paskelbtas žurnale „SA.lt“ (Statyba ir architektūra) | 2019 vasaris.

Parašykite komentarą

Atsiliepimų nėra.