CC BY
28УДК 693.9:699.841
Н.И. КАРПЕНКО, д-р. техн. наук, академик РААСН,
В.Н. ЯРМАКОВСКИЙ, канд. техн. наук, почетный член РААСН,
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва)
Основные направления
ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Часть 1 (продолжение)*.
Ресурсоэнергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий, ограждающих и несущих конструкций
2.2. Конструкционные, в том числе высокопрочные (классов по прочности на сжатие до В60 вкл.) легкие бетоны новых модификаций на пористых заполнителяхраз-личных видов
2.2.1. Конструкционные, в том числе высокопрочные легкие бетоны на пористых заполнителях из вспученных глин и сланцев (типа керамзитобетона)
Анализ достижений последних 15—20 лет [1] отечественных и зарубежных исследований в области совершенствования конструктивно-технологических систем (КТС) жилых зданий, отечественного и главным образом зарубежного опыта их возведения, соответствующих нормативных документов показывает следующее: одним из наиболее эффективных путей в решении проблемы ресурсоэнергосбережения в строительстве может быть преимущественное применение в КТС зданий вместо тяжелых бетонов на природных заполнителях из плотных горных пород равнопрочных конструкционных, в том числе высокопрочных (типа High Performance/High Strenght — по классификации Международной федерации по конструкционному бетону (fib) легких бетонов на пористых заполнителях. Эти исследования выполнялись на первых этапах развития индустрии легких бетонов при использовании пористых заполнителей из вспученных, а затем обожженных глин и глинистых сланцев: в отечественной практике — заполнителей типа керамзита или аглопо-рита, за рубежом — так называемых «пористых керамических» заполнителей (типа Leca, Layonit, Corlin, Solite и др.).
Основной эффект в данном случае обусловлен снижением массы КТС здания до 35%. Так, расчеты НИИСФ [2] конструктивной системы многоэтажного (16 этажей) здания из сборного железобетона, выполненного со всеми несущими элементами КТС из керамзитобетона классов по прочности на сжатие В15—В50 марок по средней плотности D1200— D1850 взамен равнопрочного тяжелого бетона на природных плотных заполнителях показали, что масса здания при этом снижается в среднем на 32%. Это позволяет со-
Рис. 1. Технологическая линия формования на «длинных» стендах Новочебоксарского ДСК предварительно напряженных плит перекрытий из керамзитобетона класса по прочности В30 для несущего сборно-монолитного каркаса жилых зданий. 2004 г.
кратить расход высокоэнергоемкой (5 тыс. кг у.т./т) стальной арматуры и соответственно энергозатраты на производство:
— горизонтальных элементов КТС — на 10—15%, что при расходе арматурной стали в них 50—80 кг на 1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат на производство этих элементов соответственно на 13— 20 кг у. т./1 м3 железобетона;
— вертикальных элементов КТС (колонн) — на 15— 20%, что при расходе арматурной стали в них 250— 300 кг/1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат на производство их соответственно на 85—110 кг у. т./1 м3 железобетона;
— элементов фундаментов — на 15—20%, что при расходе арматурной стали в них 40—100 кг/1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат на производство их, соответственно на 15—35 кг у. т./1 м3 железобетона.
Определенным резервом снижения металлоемкости КТС здания, а следовательно, и энергозатрат на производство является используемый в последнее время на крупных предприятиях стройиндустрии технологический процесс безопалубочного формования на так называемых «длинных» (1~ 100 м) стендах предварительно напряженных горизонтальных элементов.
Это относится прежде всего к многопустотным панелям перекрытий, изготовляемым с использованием стабилизированных высокопрочных арматурных канатов и высокопрочной проволоки Вр-2. На этом этапе производства имеется возможность сократить до 1,5 раз расход стальной арматуры за счет отказа от стержневой напрягаемой арматуры Ф12—Ф14 и исключения в плитах арматурных сеток, каркасов и монтажных петель.
Эффективность использования такой технологии в производстве КТС зданий подтверждается опытом таких крупных предприятий, как Новочебоксарский ДСК (НЧДСК) и Томская домостроительная компания, на «длинных» стендах которых при научно-технической помощи НИИЖБ и НИИСФ в 2005—2006 гг. организовано безопалубочное формование предварительно напряженных многопустотных панелей из керамзитобетона (рис. 1).
* Продолжение статьи, опубликованной в журнале «Строительные материалы» № 7—2013.
rj научно-технический и производственный журнал
J^J ® август 2013 65
Рис. 2. Сборно-монолитный несущий каркас колонно-ригельной системы типа Saret из керамзитобетона классов по прочности на сжатие В22,5 - В40, марок по средней плотности D1650-D1850 на высокопрочном керамзите ООО «Новочебоксарский ДСК» для возведения каркасно-панельного здания (г. Новочебоксарск, 2005)
В последние годы на этих же стендах НЧДСК освоено безопалубочное формование выполняемых также из керамзитобетона ригелей и забивных свай, что позволяет снизить расход стальной арматуры на 25—35% и соответственно снизить энергозатраты на изготовление таких конструкций. К этому следует добавить, что забивные сваи из керамзитобетона имеют следующие основные преимущества по сравнению с аналогами из тяжелого бетона: они более технологичны при устройстве ростверка фундамента здания (за счет большей ударной вязкости легкого бетона в сравнении с равнопрочным тяжелым и, следовательно, большей стойкости оголовков свай к ударным нагрузкам) и более долговечны в эксплуатации, что обусловлено известной существенно более высокой морозостойкостью легкого бетона.
Следует дополнительно отметить, что применение метода безопалубочного формования элементов КТС здания на «длинных» стендах позволяет отказаться от арматурных цехов с дорогостоящим оборудованием и высокоэнергозатратными технологическими процессами изготовления в них сварных арматурных изделий (сеток и каркасов).
Снижению металлоемкости, а следовательно, и энергоемкости КТС жилого здания способствует при-
Рис. 4. Строительство 16-этажного жилого дома в Нижнем Новгороде, р-н Верхние Печоры, ул. Родионова, с несущим каркасом Saret (2006 г.)
Рис. 3. Семиэтажный деловой центр в Екатеринбурге, ул. Малышева, с несущим каркасом типа Saret из керамзитобетона (2005 г.)
менение в сборно-монолитном каркасе многосекционных колонн (сразу на несколько этажей). Отсутствие при этом сварных стыков при сборке каркаса как при стыковке колонн с ригелями, так и при наращивании колонн обеспечивает значительную экономию металла и соответствующее снижение энергозатрат на возведение каркаса.
Такой каркас типа Saret, все элементы КТС которого выполнены только из керамзитобетона, в том числе высокопрочного, представленный на рис. 2, в настоящее время широко востребован строительными комплексами многих крупных регионов РФ: Нижний Новгород, Екатеринбург, Казань, Ульяновск, Московская обл. (рис. 3, 4).
Весьма эффективно практикуется использование конструкционного легкого бетона при возведении двухэтажных надстроек реконструируемых 4-5-этажных зданий в Москве с целью минимизации дополнительной нагрузки на существующий фундамент. При этом с целью сокращения поперечного сечения перекрытий (покрытий) надстройки конструкции их выполняют из монолитного керамзитобетона ребристыми, предварительно напряженными, с натяжением прядевой арматуры (располагается в ребрах конструкции) на бетон в построечных условиях (рис. 5).
Рис. 5. Подготовленное к бетонированию предварительно напряженное перекрытие из керамзитобетона класса В 27,5 с натяжением арматуры в построечных условиях (при двухэтажной надстройке 5-этажных зданий в Москве)
Основные преимущества в строительно-технических свойствах конструкционных легких бетонов классов В15-В50 в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами
Свойства Преимущества Эффект
Плотность <20-50% Снижение массы конструкций, зданий, сооружений; расходов бетона, арматуры; уменьшение осадки зданий
Уровень нижней границы области микротрещинообразования > на 0,1-0,25 или на 20-30% Выше граница перехода линейной ползучести в нелинейную -больше эффективность предварительного напряжения арматуры
Уровень верхней границы области микротрещинообразования > на 0,05-0,25 или на 10-20% Выше предел длительной прочности бетона
Предел выносливости Виброползучесть >14-27% <12-20% Сокращение площади поперечного сечения конструкции или требуемого расхода арматуры при повторяющихся нагрузках
Ударная вязкость Трещиностойкость Сопротивление удару >15-19% >17-25% >13-18% Меньше относительное количество разрушающихся оголовков забиваемых свай, выше долговечность свайных ростверков зданий
Морозостойкость Водонепроницаемость > на 1-5 марок > на 1-3 марки Увеличивается долговечность конструкций
Помимо преимуществ КТС здания в снижении массы при замене в ее несущих элементах тяжелого бетона равнопрочным легким эффективность работы этой системы под нагрузкой, влекущая за собой возможность снижения расхода стальной арматуры или поперечного сечения конструкции, повышается за счет дополнительных преимуществ в строительно-технических свойствах легких бетонов, установленных в многочисленных экспериментах лабораториями авторов статьи и приведенных в таблице.
2.2.2. Конструкционные, в том числе высокопрочные легкие бетоны новых модификаций на низкоэнергоемких пористых заполнителях — продуктах переработки многотоннажных техногенных отходов
Выше (раздел 2.2.1) представлены данные о современном состоянии производства и применения конструкционных, в том числе высокопрочных легких бетонов, изготавливаемых на пористых заполнителях из вспученных глин и сланцев (типа керамзитобетона и аглопоритобетона). При всех изложенных выше преимуществах применения бетонов таких видов в КТС зданий взамен равнопрочных тяжелых бетонов на природных плотных заполнителях они имеют такой недостаток, как относительно высокая энергоемкость производства. Это — заполнители обжиговые, и расход условного топлива достигает для производства, например, традиционного керамзитового гравия 90—100 кг у. т. на 1 м3 заполнителя, хотя в последнее время разработаны и получают развитие более совершенные технологии — со сниженным до 30% расходом условного топлива.
В строительных комплексах стран Западной Европы, Скандинавских стран, США, Канады доля конструкционного легкого бетона (КЛБ) составляет, по данным fib [3, 4], уже более 35% и наблюдается явная тенденция к ее увеличению. В то же время характерно, что более 1/3 объема производства пористых заполнителей за рубежом составляют продукты переработки по малоэнергоемким технологиям зол и шлаков тепловой энергетики, металлургических шлаков и отходов углеобогащения. Соответственно сокращаются объемы разработок карьеров для производства нерудных строительных материалов, и в частности плотных заполнителей для тяжелого бетона. К сожалению, в отечественной практике легкобетонного строительства продолжает пока доминировать керамзитобетон, хотя он и занимает не более 10% в общем объеме производства конструкционных бетонов. И это несмотря на то что есть уже успешный опыт разработки, исследований и внедрения таких эффектив-
ных видов относительно низкоэнергоемких легких бетонов, как, например, высокопрочный бетон на пористом гравии из доменных шлаков текущего выхода (внедрен в 1999 г. в строительных комплексах Липецка и Воронежа [1, 5]); бетон на безобжиговом зольном гравии (ОАО «Иркутскзолопродукт», 2008—2010 гг.), Уральский НИИстромпроект [6], конструкционные легкие бетоны на пористых заполнителях Дальнего Востока (литоид-ная пемза, туфы) [7].
В международном стандарте на конструкционный легкий бетон в рекомендациях по проектированию конструкций из легких бетонов, разработанных целевой группой Task Group 8.1 Международной федерации по конструкционному бетону (fib) с участием члена Commission C8 fib В.Н. Ярмаковского [2, 8], в европейском стандарте Eurocode-2 Design of concrete structures. Part 11. LAC Structures EN 1992-1-1, CEN (Brussel, 1992, p. 191—220), а также в международном (fb) стандарте FIB Model Code—2010. Concrete and Reinforced concrete structures (Washington, 2009, 410 p.) имеется глава, посвященная конструкционным легким бетонам различных видов (на различных заполнителях) классов по прочности до LC (или В) 88, т. е. марки до М1000. Однако к большому сожалению, ни многочисленные зарубежные данные, ни отечественные данные последних лет, свидетельствующие о высокой эффективности применения конструкционных, в том числе высокопрочных, легких бетонов в практике строительства энергоэффективных (классов А и Б по СНиП) зданий так и не нашли должного отражения в недавно созданном НИИЖБ Своде правил СП 63.1330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 (Москва, 2012).
В действующем ГОСТ 25820-2000 «Легкие бетоны. Технические условия» нормирование КЛБ ограничивается пока классом В40 включительно, хотя в отличие от вышеуказанного СП НИИЖБ здесь нормируются свойства не только керамзитобетона, но и легких бетонов на пористых заполнителях других видов, в частности низкоэнергоемких, изготавливаемых на основе продуктов переработки техногенных отходов.
Однако в настоящее время в НИИСФ РААСН лабораторией ресурсоэнергосберегающих легких бетонов и конструкций начата работа по развитию данного стандарта в части нормирования прочностных, деформатив-ных, теплофизических характеристик и характеристик долговечности легких бетонов классов до В60 включительно, причем дифференцированно по основным видам крупного пористого заполнителя. Одновременно
разрабатывается СТО НИИСФ «Модифицированный полистиролбетон для монолитной теплоизоляции ограждающих конструкций и для сборных теплоизоляционных стеновых изделий».
В то же время необходимо упомянуть, что Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН) совместно с ОАО «ЦНИИпромзданий» разработала и предложила включить в проект актуализированной редакции СНиП 52-01—2003 на стадии его разработки разделы, относящиеся к расчетам конструкций из легких бетонов новых модификаций, в том числе высокопрочных, разработанных за последние 10—15 лет. Также предлагалось расширить нормирование прочностных и деформативных характеристик легких бетонов вплоть до классов В50 включительно (уже успешно апробированных в практике строительства). Причем нормирование таких характеристик предлагалось выполнять дифференцированно по видам КЛБ, изготовленных на основе пористых заполнителей различных видов, т. е. не только на керамзите, как в прежней редакции СНиПа, а в том числе и на базе использования продуктов переработки техногенных отходов.
Кроме того, предлагалось включить в проект редакции СНиПа абсолютно необходимое нормирование показателей долговечности бетонов, в частности морозостойкости бетонов, испытываемых по единому базовому первому методу ГОСТ 10060—96* «Бетоны. Методы определения морозостойкости» для всех их видов (легких, тяжелых, ячеистых) применительно к несущим конструкциям и наружным стенам зданий различных категорий ответственности, эксплуатируемых в различных климатических условиях.
Однако НИИЖБ, как головная организация разрабатываемого проекта СНиП, при поддержке представителей Минрегионразвития — Заказчика оказался не совсем готовым к принятию такой обновленной за счет инновационных разработок последних лет редакции СНиП 52-01-2003.
В то же время в качестве положительного фактора при создании новой редакции СНиП следует отметить включение в него предложенного специалистами РААСН нелинейного диаграммного метода расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям, использование которого важно для более совершенного проектирования.
В связи с изложенным, как следствие такого положения с новым, столь необходимым для современного строительства, нормативным документом в области бетона и железобетона крупные региональные строительные организации вынуждены обращаться в пока еще действующие ведущие научно-исследовательские институты страны с соответствующей просьбой. А именно - с просьбой разработать отражающие современный уровень развития легкобетонного строительства в мире соответствующие технические документы хотя бы рекомендательного характера. Так, в этом году НИИСФ с участием Томского ГАСУ заканчивает разработку по заказу Томской домостроительной компании «Рекомендаций по расчету и проектированию легкобетонных конструкций для конструктивных систем каркасных зданий КУПАСС, эксплуатируемых в условиях сейсмического региона».
В то же время следует отметить начавшееся в последнее время возрождение производства и применения конструкционного легкого бетона и в строительном комплексе России, причем уже на новом, более высоком научно-техническом уровне. Об этом свидетельствует, например, опыт таких передовых предприятий стройинду-стрии, активно внедряющих инновационные технологии, как крупнейшие домостроительные комбинаты в Ново-чебоксарске и Томске.
НИИСФ разработаны и начато внедрение на крупных домостроительных комбинатах в индустриальных регионах сборных и сборно-монолитных колонно-стеновых конструктивных систем жилых зданий с применением легкобетонных конструкций различной номенклатуры.
В то же время остается актуальной задача разработки новых, наиболее эффективных модифицированных конструкционных легких бетонов, чтобы еще более повысить их конкурентную способность по сравнению с равнопрочными тяжелыми бетонами и тем самым способствовать развитию их индустрии.
В связи с этим творческим коллективом НИИСФ в 2008—2009 гг. начато выполнение проекта по гранту Российского фонда фундаментальных исследований № 09-08-13560 на тему «Разработка основ структуро-образования и механики высокоэффективных конструкционных легких бетонов новых модификаций на пористых заполнителях — продуктах переработки отходов металлургии и тепловой энергетики (математические модели материалов и процессов, новые композиции и технологии)» (руководитель проекта РФФИ советник РААСН В.Н. Ярмаковский).
Для выполнения этой задачи разрабатывались конструкционные легкие бетоны при использовании именно низкоэнергоемких, в основном безобжиговых, пористых заполнителей определенной в проекте приоритетной группы из продуктов переработки многотоннажных техногенных отходов. Это, в частности, пористый остеклованный шлаковый гравий, БЗГ и др. Энергозатраты на производство таких заполнителей ниже почти на порядок, а себестоимость производства меньше в 3—10 раз по сравнению с традиционным обжиговым керамзитовым гравием (в отечественной практике) или по сравнению с пористыми заполнителями из вспученных глин и сланцев (типа лека, лиапор, корлин и др. — в зарубежной практике). Это и должно определять одно из основных преимуществ разрабатываемых конструкционных легких бетонов по сравнению с традиционными бетонами-аналогами.
Следующее преимущественное отличие КЛБ, разрабатываемых по данному проекту РФФИ, определяется возможностью реализации задачи получения конструкционных легких бетонов на пористых заполнителях новых видов из техногенных отходов с существенно более высокими по сравнению с бетонами-аналогами показателями эксплуатационного качества, а именно типа High Performance Concrete, или HPC — в соответствии с классификацией fib, в том числе высокопрочных (классов В60 и выше), высокоморозостойких (марки до F1500 вкл.) и высокой водонепроницаемости (марки до W20 вкл.).
Причем обеспечено это должно быть не за счет ставшего уже традиционным в бетоноведении, в частности в технологии высокопрочных тяжелых бетонов, приема использования дорогостоящих полифункциональных химических добавок-модификаторов, а за счет применения разрабатываемых в проекте (с помощью фундаментальных методов компьютерного материаловедения) более совершенных, оригинальных и экономичных технологий с направленным структуро-образованием, обеспечивающим снижение дефектности структуры материала. Планировалось, что это должна быть, например, высокоэффективная безвибрационная технология укладки легкобетонных смесей при существенно (до 1,5 раз) пониженном водоце-ментном отношении бетона, в частности ротационная технология с оптимизированными при помощи метода структурно-имитационного моделирования рабочими параметрами. Второй пример — применение оптимизированного с помощью моделирования процессов тепломас-
сопереноса влажностного режима пропаривания легкого бетона.
Задачи комплекса разрабатываемых в проекте РФФИ новых модификаций КЛБ (типа НРС) в сравнении с бетонами-аналогами сводились к следующему:
— проектирование оптимальной структуры конструкционных, в том числе высокопрочных, легких бетонов достаточно высокой долговечности (типа НРС), изготовляемых на пористых заполнителях — продуктах переработки отходов металлургии и тепловой энергетики, на основе результатов исследований, выполненных с комплексным применением методов механики разрушения, структурно-имитационного моделирования и основ физикохимии силикатов;
— теоретические (с помощью моделирования технологических процессов) исследования, направленные на поиск и оптимизацию параметров технологических приемов, реализация которых способствует направленному структурообразованию и значимому снижению дефектности структуры конструкционных, в том числе высокопрочных, долговечных легких бетонов, повышению ее целостности (слитности);
— проверка целенаправленными экспериментами эффективности использования разработанных структурных и математических моделей материалов и процессов в проектировании оптимальных составов и технологий конструкционных, в том числе высокопрочных (классов В50 и выше), легких бетонов типа НРС, изготовляемых на низкоэнергоемких пористых заполнителях приоритетных групп — продуктах переработки техногенных отходов;
— экспериментальные исследования, направленные на определение полного спектра физико-механических характеристик конструкционных легких бетонов типа НРС оптимизированных составов и технологий и соответствующая их результатам доработка результатов теоретических исследований по прочности и долговечности бетонов, полученных на предыдущих этапах выполнения проекта.
Комплекс указанных выше проблемных вопросов соответствовал научным задачам программы РААСН «Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации на 2008—2010 гг.», и в частности задачам проекта 3.4 данной программы «Ресурсо-энергоминимизация за счет развития технологий переработки техногенных и природных (вулканического происхождения) образований в строительные материалы», руководителями которого являются авторы.
В результате решения первой задачи при использовании методов механики разрушения и разработанного авторами метода структурно-имитационного моделирования материала (СИ-метода) установлены аналитические зависимости, определяющие степень влияния параметров структуры конструкционного легкого бетона на его прочность. Применение в комплексе закономерностей физикохимии силикатов, результатов исследований с помощью СИ-метода на трехмерной модели гидратации зерен цементного клинкера, а также исследований с помощью метода лазерной интерферометрии напряженно-деформированного состояния легкого бетона позволили установить влияние характеристик его структуры и основных технологических факторов на морозостойкость и параметрические точки процесса деформирования Я^ и Щ.
Так, при использовании закономерностей физикохимии силикатов определены условия образования плотной контактной зоны между зернами пористого запол-
Рис. 6. Влияние параметров макроструктуры п конструкционного легкого бетона на его прочность q при сжатии: 1 - неоднородность включений; 2 - прочность контактной зоны; 3 - ширина контактной зоны; 4 - коэффициент формы зерен; 5 - размер включений; 6 - то же пор; 7 - количество пор
нителя и цементного камня в конструкционном легком бетоне. Согласно разработанной в проекте модели разрушения легкого бетона под нагрузкой (первая задача проекта), начинающегося с образования микротрещин в зоне контакта его компонентов и результирующегося в образование и развитие магистральной трещины, препятствует этому прежде всего плотная контактная зона (рис. 6).
На рис. 6 отмечаются три характерные области влияния прочности контактной зоны б, определяемой величиной отношения микротвердостей контактной зоны и матрицы, на прочность высокопоризованного шлако-пемзобетона (ВШПБ) (рис. 6, поз. 2). В первой области, где прочность контактной зоны ниже прочности матрицы (б<1), наблюдается резкое снижение прочности ВШПБ, во второй (1<б<1,3) и третьей (б>1,3) областях, где прочность контактной зоны не ниже прочности матрицы, наблюдается медленное, а затем интенсивное повышение прочности бетона (в модели-аналоге б™=1,08). По экспериментальным данным, для ВШПБ величина 6=1,09—1,4. Поэтому для получения шлако-пемзобетона высокой прочности достаточно лишь исключить возможность технологического нарушения контакта матрицы с включениями.
Форма (лещадность) и размеры (диаметр) включений (рис. 6, поз. 4, 5) оказывают существенное влияние на прочность бетона в случае превышения на 35—40% их значений, принятых в модели-аналоге (Кфн=1,3 и Дан=15 мм). С учетом свойств шлаковой пемзы и данных ВЭ для получения ВШПБ эти показатели необходимо ограничить значениями К|н<1,8 и Дан<20 мм.
Влияние ширины контактной зоны шлакопемзового щебня на прочность бетона (рис. 6, поз. 3) оказалось несущественным, что обусловлено относительно незначительным ее объемным содержанием в бетоне. При этом пористость, характеризуемая размерами и числом начальных дефектов в модели-аналоге ВШПБ (рис. 6, поз. 6, 7), явилась основным фактором, влияющим на прочность бетона.
В итоге с помощью метода структурно-имитационного моделирования процесса (механики) разрушения под нагрузкой конструкционного легкого бетона при использовании метода ранговой корреляции установлено влияние на его прочность параметров макрострукту-
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® август 2013 69~
ф, %
90
80
70
60
50
40
/
\ > J /
i / /
\ —,__ /
4
V — J
0 1 2 3
4
Рис. 7. Изменение во времени ф в период нагрева бетона при различных влажностных режимах ТВО: 1 - влажностный режим I (заводской); 2 - режим II (промежуточный по отношению к режимам I и IV); 3 - режим III (оптимальный); 4 - режим IV (сухой прогрев)
1,7
1,3
0,85
к 0,55 0,54—,
0,83
0,45 ,„0,45 43
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0,87
0,6
0,79
0,7
,65
Ш
0,57
0,51
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1,3
0,63
0,35
0,33
0,15
0,24
0,28 03
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Градиенты пористости
Рис. 8. Диаграммы-характеристики дифференциальной пористости шлакопемзобетона класса по прочности на сжатие В40, подвергнутого ТВО при влажностных режимах твердения: I (а); II (б); III (в)
б
а
в
т, ч
ры конструкционного легкого бетона (перечисляются в порядке приоритетности по степени влияния при условии постоянной пористости бетона): прочность контактной зоны зерна крупного заполнителя с цементной матрицей; размер пор, однородность по прочности зерна заполнителя, форма зерна заполнителя (варьировалась в модели увеличением количества углов включений - многоугольников), ширина контактной зоны.
Установлено, что образование такой бездефектной и прочной контактной зоны возможно за счет процесса гидратации минералов металлургического шлака, в частности мелилита, оболочки зерна пористого заполнителя или оболочки зерна безобжигового зольного гравия с малоклинкерным золосвязующим из высоко-диспергированного шлака в присутствии достаточно сильного активатора, каким и является цементный клинкер. Процесс гидратации шлака приводит к образованию высокопрочных гидрогранатов и гидросиликатов кальция C2SH(A) и CSH(Б), причем особенно интенсивно при преимущественном содержании шлаковых стекол системы CaO-SЮ2-Al2O3-MgO-Fe2O3, т. е. желательно, чтобы оболочка зерна шлакового или зо-лошлакового заполнителя была образована из минералов изотропной разновидности шлакового стекла (геле-нит, окерманит, мелилит, псевдоволластонит).
Высокие плотность и прочность контактной зоны зерна аморфизированного шлакового заполнителя с цементным камнем вместе с относительно низкой разницей в коэффициентах линейного температурного расширения этих компонентов должны обеспечивать и высокие морозостойкость, водонепроницаемость легкого бетона, и высокие уровни процесса микротрещи-нообразования Я^/Я^и и Я^/Я^«, а следовательно, и высокую трещиностойкость и длительную прочность легкого бетона.
С помощью разработанной в проекте на основе СИ-метода трехмерной модели гидратации цементных зерен с использованием данных микрокалориметрических измерений по теплоте выделения гидратирую-щихся зерен цемента получены расчетные данные по распределению пористости в твердеющей цементной системе и степени гидратации цемента. Также расчетным путем на компьютерной модели выполнена оценка влияния степени гидратации цемента, водоцемент-ного отношения и воздухововлечения на морозостойкость легкого бетона. При этом установлена домини-
рующая роль влияния степени воздухововлечения в растворную матрицу бетона. Результаты математического моделирования подтверждены экспериментально для различных составов бетонов, в том числе с использованием пластифицирующих добавок на основе лигносульфонатов.
Далее, базируясь на результатах вышеизложенных исследований, для решения второй задачи выполнены теоретические исследования, направленные на поиск и оптимизацию параметров технологических процессов получения конструкционных легких бетонов с бездефектной структурой, в том числе высокопрочных (классов В50 и выше), легких бетонов типа НРС, изготовляемых на низкоэнергоемких пористых заполнителях определенной выше приоритетной группы - продуктах переработки техногенных отходов.
Так, с целью получения легкого бетона (сюда относится и процесс укладки бетонной смеси) с минимальным водоцементным отношением было решено применить альтернативную широко применяемому виброуплотнению бетонных смесей ротационную технологию. При такой технологии бетонная смесь преобразуется в дискретный поток частиц, кинетическая энергия которым сообщается не воздушным потоком (как при торкретировании), а посредством механического устройства — лопастей, расположенных вдоль образующих цилиндрического ротора. Для установления параметров метательного устройства разработана СИ-модель ротационного уплотнения, позволившая по результатам вычислительного эксперимента установить, в частности, условия обеспечения минимизации угла рассеивания бетонной смеси, оптимизацию поверхности роторов и, следовательно, условия максимально возможного уплотнения смеси.
Далее путем решения задачи тепломассопереноса для твердеющего бетона с использованием уравнения интенсивности потока влаги в коллоидных капиллярно-пористых телах получено аналитическое выражение для расчета оптимальной влажности ТВО (пропаривания) бетона. Применение ТВО при оптимальной влажности позволило компенсировать влаго- и термоградиентные влажностные потоки в бетоне и, как установлено в нижеприводимых результатах экспериментов, существенно снизить дефектность структуры бетона (рис. 7, 8).
Так, в экспериментах изучали влияние ф при ТВО бетона на прочность бетона при сжатии Я, на растяже-
ние при раскалывании Rpp и водо-поглощение u [8]. На рис. 7 приведены различные влажностные режимы ТВО бетона, от заводского со 100% влажности среды на всем этапе тепловой обработки (поз. 1) до сухого прогрева при 40% влажности на этапе подъема температуры (поз. 4), включая оптимальный влажностный режим (поз. 3), рассчитанный по формуле (4), и промежуточный (поз. 2).
Для качественного анализа изменений в структуре бетона использовали метод, в основу которого положена кинетика капиллярного во-допоглощения бетонного образца.
На рис. 8 представлены диаграммы-характеристики дифференциальной пористости шлако-пемзобетона класса В40. Первый столбик слева представляет собой первый градиент (поры наибольшей крупности), а последующие столбики — градиенты 2—9 (поры в убывающем порядке крупности). Переувлажнение поверхностного слоя бетона при влажностном режиме I (рис. 7) ТВО вызывает резкое увеличение доли крупных пор (рис. 8, а). В этом отношении самым благоприятным является найденный расчетом оптимальный влажностный режим тепловлаж-ностной обработки бетона (рис. 8, в).
На основе представлений о протекающих процессах тепло- и массопереноса в твердеющих цементных системах в [9] получено аналитическое выражение для определения оптимального влажностного режима ТВО бетона, позволяющего снизить дефектность его структуры на ранних стадиях твердения и тем самым улучшить физико-технические свойства бетона. Результаты теоретических исследований убедительно подтверждены результатами экспериментальных исследований на примере одной из наиболее эффективных разновидностей конструкционного легкого бетона — шлакопемзо-бетона. Особенно целесообразно использование ТВО с регулируемой влажностью среды для изготовления конструкционного легкого бетона по сравнению с равнопрочным тяжелым бетоном, что может служить серьезным аргументом в пользу изготовления несущих конструкций из бетонов на пористых заполнителях (рис. 7, 8).
Подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что при использовании полученных результатов теоретических исследований с помощью методов структурно-имитационного моделирования материалов и технологических процессов, исследований в области механики разрушения и физикохимии силикатов имеется реальная перспектива создания конструкционных легких бетонов новых модификаций с существенно повышенными показателями эксплуатационного качества — высокопрочных и высокодолговечных (типа НРС по классификации fib).
При этом, как показывает зарубежный опыт (рис. 9), наибольший эффект в ресурсоэнергосбережении достигается в строительстве высотных зданий при использовании конструкционных легких бетонов с комплексным (в качестве пористых заполнителей и вяжущих) применением в них продуктов переработки крупнотоннажных техногенных отходов.
Выводы
1. Анализ отечественных (последних 10—20 лет) и зарубежных исследований, опыта производства и применения в строительстве жилых зданий конструкционных легких бетонов (КЛБ) различных видов, а также опыта производства из таких бетонов и применения несущих элементов конструктивно-технологических систем (КТС) зданий взамен равнопрочных тяжелых бетонов на природных плотных заполнителях и конструкций показал следующее: использование конструкционных легких бетонов является одним из эффективнейших путей ресурсоэнергосбережения в строительстве жилых зданий.
Так, уменьшение массы КТС, например каркасно-панельного здания, до 35% за счет меньшей средней плотности КЛБ (на 20—50% в зависимости от параметров технологического процесса производства легких бетонов и конструкций из них) дает возможность сократить расход высокоэнергоемкой (5 тыс. кг у. т./1 т) стальной арматуры: в горизонтальных элементах КТС на 10—15%, а в вертикальных элементах, в частности в колоннах, на 15—20%. Это обеспечивает снижение энергозатрат на производство горизонтальных и вертикальных элементов соответственно на 13— 20 кг у. т. и на 85—110 кг у. т. на 1 м3 железобетона.
2. Установленное в выполненных авторами исследованиях преимущество КЛБ в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном в более высоких нижнем (на 22—25%) и верхнем (на 16—25%) уровнях границ области микротре-щинообразования и более высокой (до 20%) длительной прочности позволяет дополнительно сократить расход стальной арматуры в несущих элементах КТС в среднем на 15% за счет больших возможностей преднапряжения арматуры в них.
3. Применение в КЛБ, в том числе высокопрочных, безобжиговых пористых заполнителей, производимых по экологически чистым технологиям на основе продуктов переработки техногенных отходов (например, пористого гравия с остеклованной оболочкой из металлургических шлаков текущего выхода или безобжигового зольного гравия), взамен добываемых в карьерах плотных заполнителей из плотных горных пород позволяет снизить энергозатраты на производство этих бетонов на 20—30%.
4. Совершенствование технологии производства КЛБ за счет модифицирования их структуры с помощью современных химических, химико-минеральных, а также активных минеральных добавок позволяет получать их с достаточно высокой прочностью при сокращенном на 10— 30% расходе высокоэнергоемкого клинкерного цемента.
5. Изготовление на заводских «длинных» (1-100-120 м) стендах методом безопалубочного формования предварительно напряженных легкобетонных элементов КТС (многопустотных панелей перекрытий, ригелей, забивных свай и других линейных элементов) с использованием стабилизированных высокопрочных арматурных канатов и высокопрочной проволоки Вр-2 позволяет сократить до 1,5 раз расход высокоэнергоемкой стальной арматуры за счет отказа от арматурных сеток и каркасов и тем самым отказаться от традиционных энергозатратных технологических процессов.
Рис. 9. Здание Scotia Plaza Tower (69 этажей, 276 м), Канада. Перекрытия выполнены из легкого бетона класса В20-В30 на основе пористого гравия с остеклованной оболочкой, полученного из доменных шлаков текущего выхода металлургического комбината «Steelko» (г. Хамильтон, штат Торонто, Канада), с использованием шлаковых цементов (типа «blended cements»-ASTM), 1990 г.
6. Результаты выполненной авторами работы по гранту РФФИ № 09-08-13560 показали, что использование аналитических исследований в области формирования оптимальных структур КЛБ с помощью методов структурно-имитационного и математического моделирования материалов и технологических процессов, исследований в области механики разрушения и физикохимии силикатов создает высокие потенциальные возможности производства конструкционных легких бетонов нового поколения с существенно повышенными показателями эксплуатационного качества — высокопрочных и высокодолговечных (типа High Performance Concrete/ High Strength — по классификации fib).
Развитие индустрии таких бетонов способствует значительному повышению эффективности решения проблемы ресурсоэнергосбережения в строительстве.
Ключевые слова: ресурсоэнергосбережение, конструкционные легкие бетоны, технологии производства, структура, строительно-технические свойства, несущие конструкции.
Список литературы
1. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Ч. 1. Ресурсоэнергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий и ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 12—18.
2. Ярмаковский В.Н., Семченков A.C., Козелков М.М., Шевцов Д.А. О ресурсоэнергосбережении при использовании инновационных технологий в конструктивных системах зданий в процессе их создания и возведения // Вестник МГСУ. № 3. 2011. Т. 1. С. 209-215.
3. Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-art report prepared by Task Group 8.1. CEB-FIP (fib), Stuttgart, 1999. 44 p.
4. Spitzer J.A. Review of the Development of Lightweight Aggregate — History and Actual Survey // International Simposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Sandefiord, Norway, 2000. Pp. 13—22.
5. Дедюрин В.Н., Ярмаковский В.Н., Хаймов И.С., Горкин Д.О. Строительство каркасно-монолитных жилых зданий с комплексным применением легких бетонов на объектах ООО ПСФ «Воронежстрой-монолит» // II Всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — пути развития». Т. 4. Легкие и ячеистые бетоны. М., 2005. С. 208-209.
6. Фалалеева Н.А. Безобжиговый зольный гравий — новый взгляд на старую технологию // Вестник Отделения строительных наук. Белгород. 2008. Вып. 12. С. 286—292.
7. Кузнецова Л.А., Антропова В.А., Орентлихер Л.П., Вавренюк С.В. Опыт применения бетонов классов В22,5—В45 на пористых заполнителях Дальнего Востока // II Всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — пути развития». Т. 4. Легкие и ячеистые бетоны. М., 2005. С. 75—79.
8. Lightweight Aggregate Concrete. Recommended extension to Model Code 90, Guide. Identification of research needs, technical report. Case Studies, State-of-art report, CEB-FIP (fib), Stuttgart, 2000, 256 p.
9. Кондращенко В.И., Ярмаковский В.Н. Оптимизация влажностного режима тепловлажностной обработки конструкционного легкого бетона // Материалы XV Академических чтений РААСН «Достижения, проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Т. I. Казань, 2010. С. 307—312.
2-4
октяВря 2013г
Совместно с выставкой
"Энергоресурс" г.Воронеж, ул.Ворошилова, 1а, спорткомплекс "Энергия"
1-я мержрегиояальяая специализированная ВЫСТЯВКЗ
СТРОИТЕЛЬСТВО
от
ИшШВ
I межрегиональная специализированная ВЫСТЯВКЗ
[email protected] [email protected]
www.veta.ru
тел.: (473) 251-20-12
организаторы.
RcFTTI
3 J&b^t
i'il'J.I.HrtUI
Йнф ['РШИСТИНИИ1ЛПН :■: D В ЫС1ЭДКК U ин гион (Г niilll Hill u III ,| JHafl UKb:il ИН1 up H ET-rj 111 H UD
При поддержке:
Прлпитс.м.сто Воронежской области Администрация городского округа г.Воронеж Н П ''Союз строителей Воромсжсняй области" Ассоциация экономического азакмедекепшя субъектоо РФ Центрального Федерального округа "Централью- Черноземная' Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 72 август 2013 Ы *
