Проблемой замены металлической арматуры деревянной или другими материалами растительного происхождения у нас в стране занимались в тридцатых годах такие крупные специалисты, как_И. А. Кириенко, М. А. Киення, В. П. Петров, И. М. Пушкин, Г. Д. Цискрели, Г. А. Джикаева и др. Ряд работ по использованию бамбука в качестве арматуры в строительных конструкциях выполнен зарубежными специалистами И. Бутоном, И. Геутаером, Т. Ковальским и др.

Широко применяемый в строительстве железобетон, наряду с положительными свойствами, характеризуется, как известно, значительным расходом пока еще дефицитного металла, в связи с чем встает вопрос о замене его в некоторых конструкциях небольшого пролета деревобетоном с использованием в качестве арматуры дерева местных пород или других быстрорастущих стеблевых растений, имеющих прямолинейный длинный стебель.

Само название «деревобетон» показывает, что это есть конструктивное соединение двух материалов, характеризующихся различными механическими свойствами. Проблема деревобетона связана с необходимостью обеспечения совместной работы дерева и бетона. Трудность решения этой проблемы заключается в том, что при предельно насыщенной водой арматуре возникает опасность нарушения сцепления бетона с деревом из-за усушки последнего и образования вокруг него сквозного зазора, а при сухой арматуре — опасность образования в бетоне трещин в связи с разбуханием древесины. Аналогичная проблема возникает и при использовании других целлюлозосодержащих материалов растительного происхождения (тростник, бамбук и др.).

Некоторые исследователи деревобетона свои работы основывали на втором положении (разбухание сухой арматуры в бетоне). Так, например, проф. И. А. Кириенко, применяя древесину в предельно насыщенном водой состоянии, предполагал, что в процессе твердения бетона древесина плотно сцепляется с бетоном вследствие проникновении цементного раствора в ее норы. Произведенные испытания деревобетониой балки дали хорошие результаты: растягивающие усилия в арматуре достигли 0,8 от временного сопротивления растяжению, что характеризует до­статочно хорошее использование арматуры. Кроме того, осмотр балки через 7 лет после ее испытания показал, что стержни арматуры хорошо сохранились и плотно защемлены бетоном. Не­смотря на полученные результаты, опыты И. А. Кириенко были все-таки не убедительны, так как им была испытана только одна балка. Сомнительность результатов в дальнейшем была подтверждена экспериментами М. А. Киення, который считал, что

арматуру не следует вымачивать, так как в процессе схватывания и твердения бетона насыщенная арматура усыхает, образуя вокруг себя зазоры, в результате чего сцепление ее с бетоном резко уменьшается. В своих опытах он применял дерево как в сухом, так и в предельно насыщенном состоянии. Испытанию были подвергнуты 60 деревобетонных балок. Продолжительность замачивания арматуры колебалась в пределах от 1/2 до 6 суток. Для усиления сцепления арматуры с бетоном применялись различные способы, как-то: запнлка арматуры на концах глубиной в 2...3 см, устройство ласточкиных хвостов, прибивка к арматуре толевых гвоздей и т. п.

В результате экспериментов М. А. Киения пришел к выводу, что деревянную арматуру следует применять в сухом состоянии, так как при этом из-за быстрого схватывания бетона дерево не успевает впитывать влагу и тем самым обеспечивается трещи-ноустойчивость бетона. При использовании сухой арматуры им была получена прочность сцепления с бетоном от 0,24 до 0,72 МПа.

Вопрос о преимуществах сухой или насыщенной водой арматуры был подвергнут в дальнейшем более детальному исследованию в ЛИИЖТе В. П. Петровым и И. М. Пушкиным. В результате было установлено, что появление трещин при применении в бетоне сухой арматуры зависит от прочности бетона, а также от условий хранения конструкций. Так, сухая арматура, заложенная в жирный бетон, при хранении в воде не разрывала образцов, а в более тощем бетоне, даже при хранении в сырых условиях, вызывала образование значительных трещин. Этими же исследователями было установлено также, что при использовании высушенной арматуры трещины возникают даже при жирных бетонах.

В 1933 г., т. е. задолго до исследований В. П. Петрова и И. М. Пушкина, эксперименты по деревобетону были произведены Г. Д. Цискрели в Закавказском институте сооружений. Г. Д. Цискрели, учитывая результаты исследований И. А. Кириенко и М. А. Киения, положил в основу своих опытов предположение о невозможности обеспечить совместную работу дерева с бетоном ни при одном из крайних состояний дерева (т. е. сухое или насыщенное). Он поставил целью найти такую оптимальную влажность древесины, при которой можно было избежать отрицательных последствий, связанных с применением арматуры в указанных состояниях, т. е. обеспечить как трещино-устойчнвость бетона, так и достаточную прочность сцепления ее с арматурой. Оптимальная влажность древесины в опытах П. Д. Цискрели оказалась равной 25...27%. Однако обеспечивать влажность древесины в пределах 25...27% в производственных условиях чрезвычайно затруднительно.

Из всего изложенного можно заключить, что при расчете на
естественное сцепление дерева с бетоном трудно обеспечить надежную работу деревобетонных конструкций. Поэтому ставилась задача экспериментально изучить возможность обеспечения совместной работы дерева с бетоном при условии передачи растягивающих усилий арматуры на опорные анкерные устройства, т. е. с расчетом не на естественное, а на механическое сцепление арматуры с бетоном При таком способе конструирования деревобетона арматура (дерево) может быть уложена в бетон и в насыщенном состоянии, чтобы предохранить конструкцию от трещинообразования.

Предварительно, до изготовления опытных балок, было запроектировано 5 типов анкерных соединений, рассчитанных из условия равнопрочности древесины на смятие и бетона на скалывание, и изготовлены образны, испытание которых имело целью выявить наиболее рациональные типы соединений. В образцах первого типа на концах стержней были оставлены прямоугольные выступы. В образцах второго типа такие выступы организовывались путем прибивки к основному стержню гвоздями с обеих сторон двух брусов: образцы третьего типа отличались от предыдущего наклонной прибивкой гвоздей. Образцы четвертого типа изготовлялись на болтовых соединениях, пятого — на таких же соединениях с обработкой поверхностей сопрягаемых частей зубцами.

Арматура для опытных балок была взята сосновая с временным сопротивлением на растяжение в предельно насыщенном состоянии от 21,9 до 31 МПа, размерами, указанными на рис. 11.4. Величина модуля упругости древесины нами специально не
определилась и была принята для полусухого состояния равной 10000 МПа, для сырого —8000 МПа.

Для доведения арматуры до предельно насыщенного состояния до укладки в бетон ее выдерживали в воде в течение 8 суток. При бетонировании арматура, расположенная в растянутой зоне, имела влажность 50...56%. Применялись бетоны обычный тяжелый и легкие (пемзобетон и туфобетон М70). Длина испытываемых балок составляла 1320 мм. Испытания проводили в возрасте 28 и 20 дней. При визуальном осмотре балок перед испытанием в них не было обнаружено никаких дефектов.

В табл. 11.3 для всех балок приведены данные о разрушающих нагрузках, а также о нагрузках и напряжениях, соответствующих моменту появления первой трещины.

Разрушение большинства балок происходило от разрыва арматуры главным образом в местах ослабления ее сечении сучками.

Автором монографин были проведены также исследовании с целью выявления оптимальных условий для обеспечения совместной работы деревянной арматуры с арболитом при изготовлении глухих фрамуг из этого материала. Арболитовые фрамуги (см. рис. 7.22) экспонировались на производственно-техническом семинаре, проведенном в апреле 1974 г. в Краснодаре, «Развитие производства и расширения применения арболита». Фрамуга представляет собой прямоугольную раму (с фальцем дли остеклении) из арболита марки 5(1 (класс В3,5), в середине сечения которой размещена деревянная арматура. Заполнителем арболита служили отсортированные лесорамные опилки.

В качестве арматуры были использованы деревянные бруски (рейки) сечением 16X24 мм. Деревянная арматура изготавливалась из прямослойной древесины хвойных пород (ель, пихта, сосна), не допускались обзолы, косослои, выпадающие сучки,

червоточина и гниль всех видов. В одной фрамуге все четыре бруска должны быть одной породы.

Перед автором монографии при изготовлении глухих фрамуг из арболита, полученного с использованием лесорамных опилок, стоила проблема выбора оптимальной влажности деревянной арматуры. При изготовлении фрамуг применялись бруски прямоугольного сечения 16x24 мм из прямослойной хвойной древесины (ель, сосна, пихта без косослои и сучков). В наших экспериментах при высоком В/Ц, равном 1,2...1,3, наибольшая величина сцепления деревянной арматуры с арболитом составила 0,35...0,45 МПа.

В работе ставилась задача увеличить адгезионную прочность сцепления деревянной арматуры различными средствами: изменением шероховатости поверхности заполнителя, физико-химической обработкой деревянной арматуры, варьированием В/Ц и влажности используемых брусков.

В наших экспериментах испытывалась деревянная арматура с шероховатостью (чистота обработки ГОСТ 7016—81 *) с 1 по 8 класс (1 класс—максимальная шероховатость—максимальная высота неровности — 1600 мкм; 8 класс —60 мкм), т. е. применялись колотые, пиленые, строганые и шлифованные бруски (рейки). Наилучшие результаты по адгезионной прочности были получены при использовании деревянной арматуры с чистотой поверхности 3-го класса (с /?г не более 800 мкм).

Проблема обеспечения совместной работы деревянной арматуры и арболита связана со сложностью снижении деформатив-ности (набухания и усушки) и отрицательного влияния легко-гидролизуемых веществ древесины на адгезионную прочность системы «древесина — цементный камень». Адгезионная прочность менялась в зависимости от влажности и вида химической обработки деревянной арматуры. Наилучшие результаты при армировании арболита марки 35 и 50 (класс В2,5 и В3.5) были получены при влажности реек 24...30%, а также при обработке реек раствором хлорида алюминия (А1С13), который в присутствии целлюлозы древесины образует гндроксид алюминия (AIC1.I + 3H20=А1 (ОН) i + 3HCI) и адсорбируются на ней (целлюлозе). Адсорбирование целлюлозой гндроксида алюминия ведет к уменьшению ненасыщенных валентностей гндроксидов компонентов древесного заполнителя, а следовательно, к снижению гндрофильности отработанной древесины; это, в свою очередь, тормозит развитие влажностных деформации (снижает величину набухании).

Хлорид алюминия также ускоряет твердение портландцемента. В присутствии целлюлозы древесины протекает указанная выше реакция выделения соляной кислоты, которая гндролизует легкорастворимые сахара в присутствии портландцемента, переводя, по мнению ряда исследователей, их в менее растворимую форму— сахариты кальция. В связи с этим можно признать обработку древесной арматуры раствором А1СЬ эффективной и комплексно действующей на систему «древесина — цементный камень»: на древесину — как стабилизатор размеров (снижающий набухание и усушку) и нейтрализатор легко гид-ролизующихся Сахаров, а на портландцемент—как ускоритель твердения.

Наилучшие результаты по адгезионной прочности древесной арматуры с арболитом (0.35...0.45 МПа) были получены при увлажнении брусков (реек) в растворе А1С1з и при высоком значении В/Ц арболита, равного 1,2...1,3 (применялись литые смеси с хорошей подвижностью).

Широкое применение деревянной арматуры в производстве большепролетных конструкций из арболита и деревобетона сдерживается трудностью в промышленных масштабах подбирать прямослойную древесину без указанных выше дефектов и поддерживать в арматуре влажность в узком диапазоне значений. Однако для перемычек и других конструкций пролетом не более 2...3 м замена металлической арматуры деревянной вполне обоснована (допустима).