Šķiedru betona sienas – neizmantotās iespējas

12/12/2022

1181

Ulvis Skadiņš "Dzelzsbetons MB" rūpnīcā Liepājā šķiedru betona sienu izgatavošanas laikā. Foto – Edgars Pohevičs

Šķiedru izmantošana nesošo sienu konstrukcijās ir tēma, kuru ir vērts pētīt un, iespējams, izdevīgi realizēt praktiskajā būvniecībā.

Sienas

Sienas ir ļoti interesants nesošo konstrukciju elements. No projektētāja viedokļa tās var būt vienkāršs risinājums daudzām problēmām, bet bieži tās ir arī ļoti komplicētas gan aprēķinu, gan arī konstruēšanas ziņā. Arī to lietojums un līdz ar to slogojums var būt ļoti atšķirīgs. Piemēram, rezervuāru sienas tiek slogotas no sāniem. Šādas sienas tiek pakļautas praktiski tīrai liecei un darbojas kā plātnes, jo vertikālās slodzes no sienas pašsvara ir ļoti niecīgas.

Ēku nesošās sienas pārsvarā tiek slogotas vertikāli bez būtiskām sāniskām slodzēm. Spiestām konstrukcijām aktuāla ir ļodzes jeb sāniskās izkļaušanās problēma. Tas nozīmē, ka savam augstumam pārāk plānas sienas var priekšlaikus sabrukt. Ir jādomā arī par stiegrojuma stieņiem, kas atrodas dzelzsbetona sienās un uzņem spiedes spēkus. Lai stieņi neizkļautos, atlauzdami betona aizsargslāni, tiek izmantots horizontālais stiegrojums.

Sienas stiegrojumu var padarīt sarežģītāku arī vairāki citi apstākļi, piemēram, lieli atvērumi, lokāli pielikti lieli koncentrēti spēki vai savienojumu mezglu vietas rūpnieciski izgatavotiem elementiem. Šādās situācijās nereti papildu stiegrojums jāliek sabiezināti, vairākos virzienos un slāņos.

Šķiedras betona sienās

Šķiedras betona konstrukcijās nav jaunums. Tomēr to izmantošana nesošajās sienās tiek pētīta krietni mazāk nekā, piemēram, grīdās, pamatu un pārseguma plātnēs vai sijās. Viens no iemesliem ir tas, ka šķiedru ietekme parādās pēc plaisāšanas. Tādējādi visefektīvāk tās darbojas tieši liecei pakļautās plātņveida konstrukcijās.

Ir veikti vairāki pētījumi, kas parāda, ka šķiedrām ir ietekme arī centriski spiestos betona elementos. Novērotie efekti ir vairāki, tos neuzskaitīšu. Tomēr vēlos minēt galveno secinājumu, kas vieno visus šos pētījumus: ar tērauda šķiedrām, ja tās ir pietiekamā daudzumā, var aizstāt daļu aptverošā jeb horizontālā stiegrojuma. Tas nozīmē, ka ar šķiedru palīdzību varētu vienkāršot arī nesošo sienu stiegrojumu.

Eksperimentālie pētījumi

Vēlme saprast šķiedru izmantošanas iespējas nesošo sienu konstrukcijās motivēja pieteikt pētniecisko projektu Īsšķiedru cementa kompozītu izmantošanas efektivitāte nesošo sienu konstrukcijās Eiropas Reģionālās attīstības fonda programmā (darbības programmas Izaugsme un nodarbinātība 1.1.1. specifiskā atbalsta mērķa Palielināt Latvijas zinātnisko institūciju pētniecisko un inovatīvo kapacitāti un spēju piesaistīt ārējo finansējumu, ieguldot cilvēkresursos un infrastruktūrā 1.1.1.2. pasākums Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts).

Projekta pieteikums saņēma atbalstu, kā rezultātā Latvijas Biozinātņu un tehnoloģiju universitātes (LBTU) Būvkonstrukciju zinātniskajā laboratorijā tika veikti vairāki eksperimentāli pētījumi, kas saistīti ar tērauda šķiedru izmantošanu betona sienās. Šī tēma interesēja arī AS MB Betons pārstāvjus, kuri piekrita būt par projekta partneriem un atbalstīja to ar pētāmo paraugu izgatavošanu.

Viens no galvenajiem pētījumu mērķiem bija noskaidrot, vai ar šķiedrām var daļēji vai pilnībā aizstāt tradicionālo stiegrojumu. Ja tas ir iespējams, tad sarežģīto un bieži ļoti blīvo stiegrojuma režģi varētu aizstāt ar vienkāršāku stiegrojumu, tādējādi būtiski vienkāršojot un paātrinot sienu ražošanu.

Projektā tika apskatīta šķiedru efektivitāte, aizstājot horizontālo stiegrojumu sienās, piemēram, vietās, kur pielikti lokāli koncentrēti spēki, vai gar aiļu atvērumiem, kur nepieciešams papildu vertikālais stiegrojums. Šo pētījumu rezultāti ir publicēti vairākos zinātniskos rakstos un konferencēs ^[1-4]. Pētījumu rezultātā ir iegūti daudzi dati, ko pakāpeniski publisko brīvas pieejas datubāzē LBTU mājaslapā ^[5].

Minēšu interesantākos secinājumus.

Plastiskās īpašības

Standartos prasīto minimālo horizontālo stiegrojumu var aizstāt ar tērauda īsšķiedrām, ja tās ir pietiekamā daudzumā (manos pētījumos virs 60 kg/m³). Būtisks ieguvums ir nosacītu plastisko īpašību piešķiršana jeb trausla sabrukuma samazināšana. Sabrukuma atšķirība diviem identiskiem paraugiem parādīta 1. attēlā. To vienīgā atšķirība ir šķiedru esamība vai neesamība betonā. Jāpiemin, ka šī īpašība tiek minēta kā galvenais šķiedru izmantošanas ieguvums arī citu pētnieku publikācijās.

1. attēls. Tipiskas sabrukuma ainas paraugiem ar vienādiem izmēriem un stiegrojuma stieņiem, bet atšķirīgu betona sastāvu: betons bez šķiedrām (a) un betons ar tērauda šķiedrām 30 kg/m³ (b).

Nestspēja spiedē

No otras puses, šķiedru klātbūtne betonā samazina konstrukcijas nestspēju. Par spīti tam, ka standarta kubi uzrādīja lielāku stiprību, konstrukciju paraugos šis pats materiāls izrādījās vājāks. Negatīvā korelācija starp maksimālo slodzi un šķiedru daudzumu ir ļoti izteikta (sk. 2. attēlu). Korelāciju koeficienti R no -0,72 līdz pat -0,92 ir tuvu robežai -1.

2. attēls. Paraugiem ar garenstiegrojumu graujošā spēka lielums samazinās, pieaugot šķiedru daudzumam. Korelācijas koeficienti R ir tuvu -1,0, kas norāda uz izteiktu negatīvu korelāciju. c ir garenstiegru attālums no paraugu ārējās virsmas.

Tas uzskatāmi apstiprinājās arī citā pētījumā, par kuru tika ziņots Rīgas Tehniskās universitātes organizētā starptautiskā konferencē IMST 2022 ^[4]. Veicot pētījumu, tika slogoti sienu paraugi ar punktveida slodzi parauga augšējā stūrī. Viena no paraugu sērijām tika izgatavota no šķiedru betona ar 80 kg/m³ šķiedru daudzumu, kas no ražošanas viedokļa ir kā robeža iestrādājamības ziņā. Paraugos tika novērota liela šķiedru segregācija – šķiedru koncentrācija būtiski atšķīrās dažādās paraugu zonās. Tās rezultātā konkrētās sērijas paraugus var iedalīt divās krasi atšķirīgās grupās pēc to sabrukšanas ainas: vieni sasniedza ievērojami augstāku sabrukšanas slodzi, bet sabrukums bija trausls; otriem sabrukšanas slodze bija mazāka, taču tika novērota būtiska šķiedru ierosinātā paliekošā stiprība. Viena daļa līdzinājās betonam bez šķiedrām, otra – ar šķiedrām. Betona sastāvs visai sērijai bija pilnīgi vienāds, vienīgi atšķīrās šķiedru koncentrācija slogošanas zonā. Šīs sabrukuma ziņā atšķirīgās grupas norāda, ka šķiedru klātbūtne samazina paraugu nestspēju un arī trauslo sabrukumu jeb palielina paliekošo stiprību, piešķirot nosacīti plastiskas īpašības.

Iespējamie iemesli nestspējas samazinājumam var būt vairāki. Viens no skaidrojumiem ir tāds, ka šķiedras negatīvi ietekmē betona masas plūsmu šaurās vietās, piemēram, starp stiegrojuma stieņiem un veidņiem. Tādējādi betona masa nav noblīvējusies un sasniedz mazāku stiprību sacietējot.

Otrs iemesls var būt saistīts ar to, ka visos minētajos pētījumos tika izmantots pašblīvējošais betona sastāvs. Šādu sastāvu izvēlējos, lai izvairītos no vibrēšanas negatīvās ietekmes uz šķiedru izvietojumu. Šāda pieeja tiek izmantota daudzviet. Tomēr tā rezultātā nebija iespējams novērst iepriekš minētos sablīvēšanas traucējumus gar stiegrojuma stieņiem. Minēto divu apstākļu kombinācija varētu būt galvenais iemesls nestspējas samazinājumam.

Par spīti šādam nosacīti negatīvam novērojumam ir svarīgi saprast, ka tas neizslēdz šķiedru izmantošanu nesošajās konstrukcijās. Projektējot nesošās šķiedru betona sienas, noteicošā nav nestspēja, bet gan citas īpašības. Tradicionālā stiegrojuma aizstāšana ar šķiedrām galvenokārt ir aktuāla gadījumos, kad vertikālās slodzes ir diezgan mazas. Mazstāvu apbūvē betona sienu nestspēja ir ar ļoti lielu rezervi. Stiegrojuma galvenā funkcija šādās sienās ir novērst plaisāšanu un trauslu sabrukumu. Šo funkciju betonā var veikt arī tērauda šķiedras.

Trīsslāņu sienas

Viens no piemēriem ir portugāļu zinātnieku Žuakina Barosa (Joaquim Barros) un Rodrigo Lameirasa (Rodrigo Lameiras) piedāvātais īsšķiedru betona trīsslāņu sienu paneļu risinājums vienstāva ēkām ^[6], par kuru minēju savā rakstā žurnāla Būvinženieris 2021. gada oktobra/novembra numurā. Šo sienu nesošie slāņi veidoti no 3,5 līdz 8 cm šķiedru betona bez tradicionālā stiegrojuma. Ļodzes problēma tiek novērsta, abus ārējos betona slāņus savienojot ar detaļām, kas nodrošina to daļēju kopdarbību. Viņu pētījumā tika izveidota un realizēta vienstāva mājas konstrukciju sistēma (sk. 3. attēlu).

3. attēls. Šķiedru betona trīsslāņu sienu paneļu izmantošana vienstāva mājas prototipam ^[6].

Latvijas klimatiskie apstākļi būtiski atšķiras no apstākļiem Portugālē, tāpēc radās interese analizēt iespēju šāda veida sienas pielāgot dzīvojamām mājām Latvijā. Sadarbībā ar būvfiziķi Andri Vulānu un maģistrantu Kristenu Kuļevski tika analizēta šādu paneļu siltumtehniskā un konstruktīvā darbība.

Siltumtehnika

Atkarībā no siltumtehniskajām īpašībām minimālais siltumizolācijas biezums starp betona slāņiem ir 120 mm, izmantojot poliuretāna siltumizolāciju (PUR), vai 200 mm, izvēloties ekstrudētā polistirola izolācijas (EPS) loksnes. Tika izvērtēti iespējamie aukstuma tilti sienai pie pamatiem un jumta pārseguma. Noskaidrojās, ka ļoti būtiska loma ir sienu un pārseguma slāņu savienojošajiem elementiem. Izmantojot nemetāliskus savienotājus, piemēram, izgatavotus no stiklšķiedru kompozīta, temperatūras starpība starp sienas iekšējās virsmas
un telpas temperatūru ir pieļaujamās robežās (sk. 4. (a) attēlu). Termisko tiltu raksturojošā koeficienta Ψ vērtība ir 0,059, kas ir mazāka par LBN 002-19 noteikto 0,2. Tomēr, izmantojot tērauda savienotājdetaļas, aukstuma tilts ir krietni lielāks un var pārsniegt pat minēto robežvērtību.

4. attēls. Sienu siltumtehniskā izvērtēšana ar datorprogrammu: aukstuma tilti pie jumta pārseguma (a) un pie pamatiem (b).

Apskatītais pamatu risinājums ar 0,8 m sienas iedziļinājumu gruntī ir pietiekams, lai neveidotos mitrums uz sienas virsmas grīdas līmenī. Temperatūras starpība starp virsmu un telpu ir mazāka par četriem grādiem (sk. 4. (b) attēlu). Turklāt papildu pamatu izolācija nav nepieciešama, jo nedod nekādu būtisku uzlabojumu temperatūras sadalījumam.

Nestspēja

Pārsteidzoši ir sienu konstruktīvās darbības izvērtējuma rezultāti. Vienstāva apbūvē slodzes uz sienas metra posmu, ņemot vērā drošuma koeficientus, varētu būt no 20 līdz 40 kN/m (2,0–4,0 spēka tonnas). Iekšējie spēki sienās varētu būt pāris reižu lielāki pie atvērumiem. Tomēr nestspēja jeb sabrukšanas slodze, ko uzrādīja nelineārie aprēķini, ir ievērojami lielāka, sasniedzot 50–100 reizes.

Lai pārliecinātos par šo rezultātu ticamību, tika izgatavoti gandrīz pilna mēroga trīsslāņu sienu paneļi. Paraugi tika veidoti no diviem 60 mm bieziem šķiedru betona slāņiem ar 150 mm iekšējo izolācijas slāni. Sienas gabarīti bija viena metra platumā un 1,8 m augstumā. Savā starpā paneļi tika stiprināti ar Peiko PD stiepļu kopņveida detaļām, ko izmanto tradicionālo sendvičtipa sienu paneļos, un celšanai nepieciešamām cilpām, kuras savienoja abus slāņus. Paraugi tika slogoti iekārtā līdz sabrukumam. Slodze tika pielikta tikai vienam slānim visā tā platumā. Laboratorijas testu rezultāti ļoti labi saskanēja ar teorētiskajiem. Sienu nestspēja sasniedz gandrīz 3000 kN, kas ir apmēram simt reizes lielāka par nepieciešamo vienstāva apbūvei. Tas apstiprina domu, ka mazstāvu apbūvē noteicošās nav stiprības īpašības, jo pat šādu sienu, kuras nesošie slāņi ir tikai 60 mm biezi, nestspēja ir ar gandrīz simtkārtīgu rezervi.

6. attēls. Trīsslāņu sienu slogošana LBTU Būvkonstrukciju zinātniskajā laboratorijā (a) un sabrukuma aina (b).

Kopsavilkums un tālākie izaicinājumi

Šķiedru betons ir perspektīvs materiāls nesošo sienu konstrukcijās. Pētījumi rāda, ka ar šķiedrām iespējams iegūt materiālu ar augstu stiprību un nosacīti plastiskām īpašībām. Tādējādi ir iespēja daļēji vai pat pilnībā aizstāt tradicionālo stiegrojumu.

Pētījumi ar šķiedru betona trīsslāņu sienām parāda, ka ir iespējams izgatavot energoefektīvas norobežojošās sienas, būtiski samazinot materiāla patēriņu. Tomēr, lai šādu sienu ražošanu ieviestu praksē, ir jāatrisina vairāki jautājumi. Daži no tiem ir šādi: betona slāņu savienojuma detaļas, kas samazina aukstuma tiltus; šķiedru korozija uz ārējās fasādes virsmas; savienojuma mezgli starp dažādām konstrukcijām; atbilstoša pārseguma konstrukcija u. c.

Ulvis Skadiņš, Dr. sc. ing., Latvijas Biozinātņu un tehnoloģiju universitātes Vides un būvzinātņu fakultātes asociētais profesors, Būvkonstrukciju katedras vadītājs
Attēli no autora albuma

Finansējums

Raksts sagatavots projektā Nr. 1.1.1.2/VIAA/3/19/487 Īsšķiedru cementa kompozītu izmantošanas efektivitāte nesošo sienu konstrukcijās. Projektu līdzfinansē Eiropas Reģionālās attīstības fonds.
AS MB Betons nodrošināja pētījumiem nepieciešamo paraugu izgatavošanu un transportēšanu.
Visi pētījumi veikti Latvijas Biozinātņu un tehnoloģiju universitātes Vides un būvzinātņu fakultātē, Būvkonstrukciju zinātniskajā laboratorijā.