Полифункциональные легкие бетоны для ресурсоэнергосберегающего индустриального домостроения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 662.998

В.Н. ЯРМАКОВСКИЙ, канд. техн. наук, почетный член РААСН, заведующий лабораторией, НИИСФ РААСН (Москва); П.Н. СЕМЕНЮК, канд. техн. наук, технический директор, Томская домостроительная компания (ТДСК); В.В. РОДЕВИЧ, канд. техн. наук, директор, Стройтехинновации ТДСК; И.В. ЮДИН, главный инженер, Новочебоксарский ДСК (Республика Чувашия)

Полифункциональные легкие бетоны для ресурсоэнергосберегающего индустриального домостроения

Анализ мирового опыта решения актуальных проблем энергоресурсосбережения при строительстве и эксплуатации зданий, в частности крупнопанельного домостроения, повышения долговечности их конструктивных систем, надежности и безопасности в эксплуатации показывает, что одним из наиболее рациональных и реальных путей является комплексное использование в этих системах легких бетонов различного назначения.

Под понятием «комплексное использование» имеется в виду не только традиционное использование легких бетонов в ограждающих конструкциях зданий, но и в несущих конструкциях, т. е. полное использование таких полифункциональных бетонов в конструктивно-технологической системе здания.

За последние 10—20 лет НИИСФ РААСН совместно с НИИЖБ, с участием других организаций (Самарский ГАСУ, ЗАО «НИИКерамзит», ОАО «Иркутскзоло-продукт», Уральский институт металлов) разработали широкую номенклатуру полифункциональных легких бетонов различных модификаций [1—3], от особо легких теплоизоляционных марок по плотности D150—D250 (так называемых бетонов-утеплителей) до конструкционных высокопрочных (классов по прочности до В60 включительно) и высокодолговечных (марки по морозостойкости до F1500) — типа High Performance (по классификации Международной федерации по конструкционному бетону — fib) [4].

Эти бетоны должны изготовляться на пористых заполнителях в основном новых видов или модификаций, производимых преимущественно на базе продуктов переработки многотоннажных техногенных отходов (ме-

таллургии и тепловой энергетики), а также на основе пористых горных пород вулканического происхождения. Использоваться должны также и такие традиционные виды пористых заполнителей, как керамзит, но преимущественно новых модификаций — с улучшенными строительно-техническими свойствами [1]. Это особо легкий керамзит (марки по насыпной плотности 200) длявысокопоризованных беспесчаныхконструкционно-теплоизоляционных бетонов; высокопрочный керамзит (марок по прочности П300—П350) для бетонов типа High Performance. Модификация структуры цементно-песчаной матрицы легких бетонов производится активными минеральными добавками — микронаполнителями или химико-минеральными добавками различных новых видов в зависимости от назначения бетона [1, 3].

Разработанные технологии модифицированных легких бетонов позволили существенно повысить их качественный уровень и сделать их конкурентоспособными в сравнении с другими видами современных строительных материалов аналогичного назначения.

Основные строительно-технические свойства модифицированных конструкционных легких бетонов (КЛБ)

Основные характеристики новых модификаций КЛБ в сравнении с традиционным видом конструкционного легкого бетона — керамзитобетоном на рядовом керамзите приведены в табл. 1.

Разработанные новые технологии позволили существенно улучшить показатели эксплуатационного каче-

Традиционный легкий бетон на рядовом керамзитовом гравии марок по прочности П100-П125 с насыпной плотностью Y„ = 450-550 кг/м3 и на кварцевом песке с Мкр = 2,5 кр Мелкозернистые бетоны при умеренной (Ув < 12%) поризации Бетоны на крупном пористом заполнителе различных видов и на кварцевом или шлаковом песке

на обжиговом керамзитовом песке с насыпной плотностью ун = 600-700 кг/м3 на гранулированных шлаках от выплавки ферросплавов (силикомарганца и ферромарганца) ун = 650-750 кг/м3 на пористом гравии из переработанных шлаковых расплавов доменного и ферросплавного производств(П150-П250, Y„ = 650-800 кг/м3) и шлак./кварц. песке на высокопрочном керамзитовом гравии (П300-П350, Y„ = 750-800 кг/м3) и кварц. песке с Мкр = 2,5 кр на безобжиговом зольном гравии (П150-П250при ун = 650-750 кг/м3) и шлак./кварц. песок

Класс бетона по прочности при сжатии В15-В25 (по ГОСТ 25820-2000 - max В20), марка по плотности D1600-D1700 Класс бетона по прочности В12,5-В15, марка по плотности D1150-D1250 Класс бетона по прочности В12,5-В15, марка по плотности D1250-D1350 Класс бетона по прочности В20-В50 (по ГОСТ 25820 - max В22,5), марка по плотности D1650-D1900 Класс бетона по прочности В40-В60 (по ГОСТ 25820 - max В35), марка по плотности D1800-D1900 Класс бетона по прочности В20-В50, марка по плотности D1650-D1850

Примечание. Марки по морозостойкости модифицированных легких бетонов классов В22,5-В50 соответственно от F200 до F1500 включительно, марки по водонепроницаемости от W4 до W20 включительно.

Таблица 1

Конструкционные легкие бетоны новых модификаций в сравнении с традиционным конструкционным керамзитобетоном

ства КЛБ, повысить их конкурентность в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами, в том числе для каркасов каркасно-панельных жилых зданий, значительно расширить возможные области применения. Последнее обусловлено рядом значимых преимуществ основных строительно-технических свойств модифицированных КЛБ. Они систематизированы в табл. 2 с указанием конкретного эффекта от реализации определенных преимуществ КЛБ в конструкциях при замене в них равнопрочного тяжелого бетона.

Кроме перечисленных в табл. 2 преимуществ КЛБ в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном, которые можно определить количественно, весьма важно отметить и следующие:

— исключение развития в легком бетоне такого опасного и характерного для тяжелого бетона вида внутренней коррозии, как щелочная коррозия, вызываемая взаимодействием щелочных оксидов цемента с реакционно-способным (аморфным) кремнеземом крупного заполнителя из плотных горных пород; последний практически отсутствует в искусственных пористых заполнителях;

— возможность рациональной утилизации в легких бетонах доступных и дешевых многотоннажных техногенных отходов, прежде всего металлургии и топливной энергетики, путем переработки их по экологически чистым и низкоэнергоемким технологиям в пористые заполнители; это обусловливает относительно низкую энергоемкость и себестоимость легких бетонов в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами на природных плотных заполнителях.

Максимальные преимущества в строительно-технических свойствах (табл. 2) в комплексе с наилучшими технико-экономическими показателями производства модификаций КЛБ, приведенных в табл. 1, имеет конструкционный легкий бетон на пористом шлаковом гравии (ПШГ). Малоэнергоемкая и экологически чистая технология производства ПШГ разработана НИИЖБ совместно с Уральским институтом черных металлов, запатентована, внедрена в 1999 г. на Новолипецком металлургическом комбинате. Технологическая линия успешно действует в настоящее время, проектируется вторая технологическая линия. Общая производительность составит более 200 тыс. м3/год заполнителя для легких бетонов двух классов по назначению.

Первый фактор, а именно прочность контактной зоны, является по существу определяющим в объяснении многих из перечисленных в табл. 2 преимуществ свойств КЛБ в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном, в частности преимуществ в повышенных уровнях границ области микротрещинообразования бетона, в морозостойкости и водонепроницаемости легкого бетона.

Важное значение имеет также преимущество КЛБ по сравнению с тяжелым бетоном в близости значений коэффициента линейного температурного расширения его составляющих (цементно-песчаного камня и зерен крупного пористого заполнителя). Это способствует повышению сопротивляемости КЛБ знакопеременным температурным воздействиям, а также воздействию высокой температуры. Относительная близость величин модулей упругости этих составляющих легкого бетона (Е б/Ерч ~ 1, где Еб — модуль упругости зерна заполните-

Таблица 2

Основные преимущества модифицированных конструкционных легких бетонов классов по прочности при сжатии В15-В50 в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами

Свойства Преимущества Эффект

Плотность Меньше на 20-50% Снижение массы конструкций, зданий, сооружений - сокращение расходов бетона, арматуры, уменьшение осадки здания

Уровень нижней границы области микротрещинообразования Больше на 0,08-0,19 Впр, или на 22-35% Выше граница перехода линейной ползучести в нелинейную; отсюда больше эффективность преднапряжения арматуры в конструкциях. Выше на 20-30% предел выносливости бетона при действии многократно повторных нагрузок сжатия, меньше на 16-23% виброползучесть

Уровень верхней границы области микротрещинообразования Больше на 0,12-0,16 Впр, или на 16-25% Выше предел длительной прочности бетона

Коэффициент динамического упрочнения Предельная деформативность в режиме ударного нагружения Больше на 17-25% Больше на 15-26% Выше ударная вязкость - меньше относительное количество разрушающихся оголовков забиваемых свай. Выше долговечность свайных ростверков зданий

Морозостойкость Водонепроницаемость Больше на 2-5 марок Больше на 1-3 марки Увеличение долговечности конструкций и надежности зданий и сооружений в эксплуатации

Коэффициент теплопроводности Меньше в 2,5-3,5 раза (при у5б=1200-1800 кг/м3, ^лб=0,36-0,65 Вт/(м.°С) против тяжелого бетона с уоб=2400-2500 кг/м3, Хоб=1,5-1,6 Вт/(м.°С) Сокращение до 25% теплопотерь через наружные стены зданий в местах сопряжений с несущими конструкциями, снижение теплоотдачи здания. Уменьшение негативного эффекта снижения теплотехнической однородности наружных стен зданий

Стойкость к огневому воздействию (тя) Больше на 0,3-0,5 ч Увеличение предела огнестойкости конструкций по несущей способности, повышение пожаробезопасности здания

Условные обозначения: Ипр - призменная прочность бетона; у£б и - соответственно плотность и коэффициент теплопроводности легкого бетона в сухом состоянии; уоб и - то же, тяжелого бетона. Примечания: 1. Данные по разнице в свойствах приведены в интервале в зависимости от классов бетонов по прочности при сжатии и от вида применяемого в легких бетонах пористого заполнителя. 2. В соответствии с результатами исследований В.Г. Гагарина [5] по дополнительным удельным теплопотерям через теплопроводные включения наружных стен в виде кладки блоков из ячеистого бетона с р0 = 400 кг/м3 с облицовкой из кирпичной кладки величина теплопотерь Qt через стык наружной стены с перекрытием из тяжелого бетона близка к величине суммарных теплопотерь через вертикальные кладочные швы, перевязку кладок, армирование, горизонтальные швы из строительного раствора и составляет 5,31 Вт/м2.

а

3 - цементно-песчаный камень (матрица)

3 - цементно-песчаный камень (матрица)

Рис. 1. Эпюры средних значений микротвердости (Нц) затвердевшего (т = 28 сут НВТ) цементно-песчаного камня (Н[[к) - растворной части легкого бетона класса по прочности на сжатие В30 и ее контактной зоны (НЦз) с зерном крупного пористого заполнителя: а - условный фрагмент бетона на пористом шлаковом гравии (ШПГ); б - условный фрагмент бетона на керамзитовом гравии (КГ); l ^ах - расстояние от центра зерна крупного заполнителя до осредненной условной ординаты эпюры микротвердости контактной зоны; l с, - то же, до осредненной ординаты условной центральной оси между зернами крупного заполнителя

ля в бетоне, а ЕрЧ — модуль упругости затвердевшей растворной части бетона) определяет повышенную сопротивляемость его к воздействию и многократно повторных статических и динамических (ударных) нагрузок: разрушение бетона при этих нагрузках начинается прежде всего с разрушения зоны контакта крупного заполнителя и цементно-песчаного камня.

Доминирующим влиянием фактора повышенной прочности контактной зоны определяются и вышеот-меченные преимущества основных строительно-технических свойств (Е, Яр, Я ЯV, Е и V, см. табл. 2) конструкционного легкого бетона на пористом шлаковом гравии в сравнении с равнопрочными не только тяжелым бетоном на природных плотных заполнителях, но и с равнопрочным керамзитобетоном. Последнее подтверждают приведенные на рис. 1 эпюры микротвердости Нц, замеренной с помощью прибора ПМТ-3 с алмазной пирамидкой в контактной зоне зерна крупного заполнителя с затвердевшей растворной частью бетона Нкз и непосредственно в цементно-песчаном камне НЦк — растворной части между зернами крупного заполнителя.

Максимальная величина микротвердости в контактной зоне Нкз обусловлена следующим характерным для КЛБ технологическим условием: Вист/Ц<Вз/Ц, где Вист=Во—Вз (Во — общая вода затворения бетонной смеси; Вз — вода, поглощенная зерном пористого заполнителя в процессе приготовления смеси, которая в процессе твердения бетона мигрирует обратно в растворную часть и тем самым способствует благоприятным условиям дальнейшего твердения бетона и формированию оптимальной структуры).

Осредненные значения Нкз составили в проведенных экспериментальных исследованиях для легкого бетона на ШПГ — 1580 кгс/мм2; для керамзитобетона — 1255 кгс/мм2, а осредненные значения Нцк — соответственно 860 и 880 кгс/мм2. Таким образом, величина отношения нкз/нцк у бетона на шлаковом гравии выше в сравнении с традиционным керамзитобетоном более чем на 25%.

Последнее определяют следующие процессы и условия образования и сохранения плотной и прочной контактной зоны в легком бетоне на пористых заполните-

лях из металлургических шлаков, в частности доменного производства:

а) гидратация минералов шлака (мелилита и др.) оболочки зерна заполнителя в присутствии сильного активатора (цементного клинкера) ^ образование высокопрочных гидрогранатов и гидросиликатов кальция C2SH(A) и CSH(B);

б) преимущественное содержание в оболочке зерна заполнителя шлаковых стекол наиболее гидравлически активной изотропной разновидности системы СаО-SiO2-Al2O3-MgO-Fe2O3;

в) близость значений коэффициентов линейного температурного расширения компонентов бетона, определяемая близостью значений минералогического состава цементного камня и металлургического шлака, из расплавов которого производится пористый заполнитель.

Области и опыт применения полифункциональных легких бетонов

В бывшем СССР была создана производственная база, обеспечивающая почти в полном объеме строительство зданий различного назначения с комплексным применением легких бетонов, в основном керамзитобе-тона и шлакопемзобетона. Эта база, катастрофически сократившаяся в годы перестройки, нуждается в настоящее время в ускоренном развитии, в модернизации технологических линий и оборудования. Об актуальности этой задачи как одной из важнейших в развитии строительного комплекса страны, и в частности в развитии крупнопанельного домостроения, свидетельствуют явные преимущества применения в конструктивных системах зданий легких бетонов, особенно новых модификаций, в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами.

Модернизация в таком направлении строительного комплекса страны и стройиндустрии в целом будет способствовать эффективному решению проблемы энергоресурсосбережения при возведении и эксплуатации зданий, повышения их надежности.

В строительных комплексах стран Западной Европы, Скандинавских стран, США, Канады доля КЛБ составляет, по данным fib [4—6], уже более 35% и наблюдается явная тенденция к ее увеличению. Более 1/3 объемов производства пористых заполнителей 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.

В информационных материалах fib сообщается об эффективном использовании легких бетонов в достаточно больших объемах в США, странах континентальной Европы, Австралии и др. в сборных конструкциях следующих видов: конструкции вертикальных рам, преднапряженные стропильные фермы, консольные элементы кровли пролетом до 30 м, большепролетные балки, перекрытия, плиты покрытий, крупноразмерные оболочки покрытий различной конфигурации.

В международном стандарте на конструкционный легкий бетон в рекомендациях по проектированию конструкций из легких бетонов, разработанных целевой группой Task Group 8.1 fib с участием НИИЖБ [4, 7], нормируются прочностные и деформативные свойства таких бетонов класса по прочности при сжатии уже до LC 88, что соответствует марке бетона М1000. В разработанном НИИЖБ ГОСТ 25820-2000 «Легкие бетоны. Технические условия» [8] нормирование КЛБ ограничивается пока классом В40 включительно. В НИИСФ

начата работа по развитию стандарта в части нормирования прочностных и деформативных характеристик легких бетонов классов до В60 включительно, причем дифференцированно по основным видам крупного пористого заполнителя.

В отечественных и зарубежных работах, посвященных анализу применения легкого бетона в сборных крупноразмерных армированных конструкциях, как основное достоинство отмечается возможность существенного уменьшения площади сечения и расхода арматуры в сравнении с аналогичными конструкциями из тяжелых бетонов.

Опыт применения полифункциональных легких бетонов в крупнопанельном домостроении

Констатируя вышеизложенное, следует отметить начавшееся в последнее время возрождение производства и применения полифункциональных, в том числе конструкционных легких бетонов, в строительном комплексе России и, что характерно в первую очередь для индустриального домостроения, причем уже на новом, более высоком научно-техническом уровне. Об этом свидетельствует, например, опыт крупных домостроительных комбинатов страны, активно внедряющих инновационные технологии: в Сибири — Томская домостроительная компания, в Европейской части страны — Новочебоксарский домостроительный комбинат. Использование КЛБ способствует реализации актуальной задачи ресурсоэнергосбережения в индустриальном домостроении за счет совершенствования конструктивно-технологических систем крупнопанельных или каркасно-крупнопанельных зданий.

Так, Томская домостроительная компания (ТДСК) впервые для предприятий стройиндустрии Сибири организовала в последнее десятилетие производство на своем заводе КПД и применение в конструктивной системе крупнопанельных зданий:

— несущих трехслойных наружных стеновых панелей с наружным и внутренним слоями и жесткими связями между ними (перемычками или шпонками) из легкого бетона класса В15 марки по плотности Б600 на основе керамзита собственного производства;

— предварительно напряженных многопустотных панелей перекрытий из керамзитобетона классов по прочности В20—В22,5.

Замена тяжелого бетона класса по прочности при сжатии В15 в наружном и внутреннем слоях несущей стеновой панели и в перемычках (ребрах или шпонках) на керамзитобетон того же класса по прочности, которому соответствует марка по средней плотности Б1600, способствовует:

— снижению тепловых потерь через железобетонные ребра и перемычки, являющиеся мостиками холода, с 20—25% до 7—9% благодаря существенно меньшей величине коэффициента теплопроводности керамзитобето-на (см. табл. 2);

— повышению теплотехнической однородности конструкции трехслойной стеновой панели благодаря существенно меньшей разнице в значении Хо легкого бетона как наружного, так и внутреннего слоев панели, и значении Хо применяемого в ней материала теплоизолирующего слоя — традиционного плитного утеплителя (Хо=0,033-0,06 Вт/(м.оС) в зависимости от вида утеплителя);

— уменьшению степени напряженного состояния в конструктивных элементах панели, особенно в узлах сопряжений железобетонных связей (ребер или шпонок) с наружным слоем благодаря, во-первых, большей на 20-30% предельной сжимаемости и растяжимости при изгибе легкого бетона (последнее обусловлено существенно меньшей разницей между значениями моду-

Рис. 2. Термограммы фасадов крупнопанельных жилых зданий с трехслойными наружными стеновыми панелями с плитным утеплителем, перекрытиями и внутренними несущими стенами из тяжелых бетонов: видны концентраторы термонапряжений (оранжевый цвет) в несущих конструкциях из тяжелых бетонов - панелях перекрытий и внутренних стенах, выходящих на лоджии (мостиков холода), свидетельствующие о существенных теплопотерях через них (натурные исследования с помощью тепловизоров выполнены НИИСФ в 2010 г. под руководством Н.П. Умняковой): а - общий вид введенных в эксплуатацию крупнопанельных зданий (Московская область); б - термограммы фасадов зданий

ля упругости зерна пористого заполнителя и затвердевшей растворной части бетона, более плотной и прочной контактной зоной этих компонентов бетона) и соответственно более высоким (на 20-35%) уровнем нижней границы области микротрещинообразования R легкого бетона; во-вторых, меньшему значению коэффициента линейной температурной деформации керам-зитобетона, а также общеизвестному эффекту более высокой (для бетона класса по прочности при сжатии В15 - в два раза и более) морозостойкости;

- повышению сопротивляемости бетона, особенно наружного слоя и в узлах сопряжения его с железобетонными перемычками, усталостным явлениям, возникающим при циклическом воздействии ветровых нагрузок, в том числе с пульсационной составляющей, и при циклических температурных воздействиях, что наиболее важно для панелей верхних этажей многоэтажных зданий. Это обусловлено известным эффектом более высокого (на 20-35%, что корреспондируется с эффектом увеличения R^/Лпр) в сравнении с тяжелым бетоном предела усталостной прочности легкого бетона при воздействии многократно повторных нагрузок.

Замена тяжелого бетона в предварительно напряженных многопустотных плитах перекрытий на равнопрочный легкий бетон обеспечивает:

- снижение массы конструктивной системы здания и благодаря этому возможность снижения расхода

Рис. 3. Цех производства на «длинных» стендах предварительно напряженных многопустотных панелей перекрытий из керамзитобето-на классов по прочности В20-В22,5 по технологиии стендового безопалубочного формования на заводе КПД Томского ДСК (2009 г.)

Рис. 4. Комплекс крупнопанельных 16-этажных зданий с использованием керамзитобетона в предварительно напряженных панелях перекрытий и в трехслойных наружных стеновых панелях с жесткими связями-шпонками (Томск, пос. Солнечный, 2011 г.)

стальной арматуры в нижележащих конструкциях и фундаментах на 10-15%;

— существенное уменьшение теплопотерь через ограждения в местах сопряжений панелей перекрытий с наружными стенами (с 20-25 до 10-12% при выходе плит перекрытий на лоджии или балконы), это наглядно показано на рис. 2.

За последние пять лет на заводе КПД ТДСК организовано производство предварительно напряженных

Рис. 5. Каркасно-панельный жилой дом с предварительно напряженными многопустотными панелями перекрытий из керамзитобетона классов В20-В22,5 и трехслойными панелями наружных стен с внутренним и наружным слоями, а также с перемычками (жесткими связями) из керамзитобетона класса В15 (Томск, 2011 г.)

многопустотных панелей перекрытий из керамзитобетона методом безопалубочного формования на длинных стендах с использованием стабилизированных высокопрочных арматурных канатов и высокопрочной проволоки Вр-2 (рис. 3). Это позволяет сократить в 1,5-2 раза расход высокоэнергоемкой стальной арматуры за счет отказа от стержневой напрягаемой арматуры и исключения в плитах арматурных сеток, каркасов и монтажных петель.

Применение метода безопалубочного формования элементов КС 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).

Пример возведения комплекса крупнопанельных 16-этажных зданий с использованием керамзитобето-на в предварительно напряженных панелях перекрытий и несущих трехслойных наружных стеновых панелях с жесткими связями-шпонками приведен на рис. 4. Пример возведения каркасно-панельного жилого дома с предварительно напряженными многопустотными панелями перекрытий из керамзитобетона классов В20-В22,5 и навесными трехслойными панелями наружных стен с внутренним и наружным слоями, а также с перемычками (жесткими связями) из керамзито-бетона класса В15 приведен на рис. 5.

ООО «Стройтехинновации ТДСК» в творческом содружестве с НИИСФ ведет поиск путей повышения прочности легкого бетона класса В22,5-В40 с целью выполнения всех элементов несущего каркаса каркасно-панельного здания в легкобетонном варианте для обеспечения:

- снижения массы здания и соответственно расхода стальной арматуры в элементах конструктивной системы нижних этажей здания и в элементах фундаментов;

- для снижения теплопотерь через ограждения зданий в местах сопряжений панелей наружных стен не только с панелями перекрытия, но и с панелями покрытия и внутренними несущими стенами.

Повышение прочности конструкционного легкого бетона до класса В30-В40 планируется достигнуть следующими путями:

- совершенствованием технологии производства керамзитобетона в направлении модификации его структуры с помощью соответствующих химико-минеральных добавок;

- применением в качестве заполнителя высокопрочного (марок по прочности до П250) безобжигового зольного гравия (БЗГ), который имеет ряд преимуществ

научно-технический и производственный журнал J\^)г\*^\~

апрель 2012 М *

Рис. 6. Возведение сборно-монолитного несущего каркаса колонно-ригельной системы из керамзитобетона классов по прочности на сжатие В22,5-В30, марок по средней плотности D1650-D1800 на высокопрочном керамзите ООО «Новочебоксарский ДСК» для возведения каркасно-панельного здания (г. Новочебоксарск, 2005 г.)

по сравнению с керамзитом не только по основным строительно-техническим свойствам, но и по энергоемкости, которая у БЗГ меньше практически на порядок, и по себестоимости производства (меньше почти в два раза); технология производства БЗГ разработана в ОАО «Иркутскзолопродукт», а технология производства конструкционного легкого бетона класса по прочности не ниже В30 — НИИЖБ совместно с НИИСФ; технологическая линия по производству БЗГ на базе золы-уноса ТЭЦ-9 «Иркутскэнерго» производительностью 80 тыс. м3 заполнителя в год находится в стадии проектирования НТЦ «Иркутскэнерго».

О совершенствовании конструктивных решений трехслойных наружных стеновых панелей

НИИСФ в соответствии с результатами ранее выполненных исследований [11—14], которые были подтверждены успешным опытом предприятий стройинду-стрии и практики строительства, рекомендовал ТДСК следующие направления совершенствования конструктивных решений производимых на этом предприятии трехслойных наружных стеновых панелей:

— на первом этапе — в направлении замены жестких связей (железобетонных шпонок) на гибкие базальто-пластиковые;

— на втором этапе — в направлении перехода от панелей с так называемым эффективным утеплителем (плитный пенополистирол, минераловатная плита) и различными связями слоев к панелям бессвязевого варианта со всеми слоями из легких бетонов, а именно с наружным и внутренним слоями из конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона классов В12,5—В15 (для несущих панелей) и средним утепляющим слоем из особо легкого бетона, в частности полистиролбетона марок по плотности D350—D400; технология производства такого полистиролбетона, в том числе модифицированного, с пониженными значениями коэффициента теплопроводности (в среднем на 35%) и сорбционной влажности (в среднем на 50%) разработана и запатентована НИИЖб с участием НИИСФ [9, 10]. Технология производства таких панелей разработана также этими организациями [11].

Замена жестких связей на гибкие базальтопластико-вые, как показали совместные исследования НИИЖБ— НИИСФ с участием МНИИТЭП [12], способствует:

Рис. 7. Возведение 16-этажного каркасно-панельного жилого здания в Нижнем Новгороде с несущим каркасом типа Saret из керамзитобетон-ных элементов производства Новочебоксарского ДСК, а также с трехслойными наружными стеновыми панелями с наружным и внутренним слоями из керамзитобетона и гибкими связями из базальтопластика (2005 г.)

— практическому исключению значительных теп-лопотерь через мостики холода, какими являются железобетонные шпонки и особенно ребра: для базальтопластика величина Хо составляет в среднем всего 0,35 Вт/(м.оС) против 1,5 Вт/(м.оС) у тяжелого бетона, т. е. меньше почти в 5 раз;

— увеличению коэффициента теплотехнической однородности (г) панели: по данным испытаний НИИСФ фрагментов панелей с различными связями в климатических камерах, величина г возрастает с 0,5—0,7 (для панелей соответственно с железобетонными ребрами и шпонками) до 0,9;

— существенному уменьшению или даже практическому исключению развития растягивающих напряжений в узлах сопряжений связей с железобетонными слоями панели благодаря соответственно уменьшению или даже исключению эффекта стесненности деформаций железобетонных элементов конструкции панели, которая по существу трансформируется из статически неопределимой в статически определимую.

Переход к панелям с наружным и внутренним слоями из конструкционного легкого бетона классов по прочности В12,5—В15 и средним утепляющим слоем из особо легкого теплоизоляционного бетона, в частности полистиролбетона марок по плотности D350—D400, способствует [13]:

— практическому исключению необходимости в каких-либо связях между наружным и внутренним слоями панели из конструкционных легких бетонов (возможна постановка гибких связей только конструктивно в углах панели). Это обусловлено тем, что такие панели изготовляются на заводском стенде в едином технологическом цикле путем последовательной (практически без перерыва) укладки в форму панели слоев легкобетонных смесей различных видов с оптимизированными показателями удобоукладываемости для каждого слоя. Последнее, в свою очередь, обеспечивает надежное сцепление полистиролбетона среднего слоя панели с внутренним и наружным ее слоями из керамзитобето-на. Соответственно коэффициент теплотехнической однородности такой панели приближается по величине к аналогичной характеристике однослойной легкобетонной стеновой панели;

— практическому исключению возникновения каких-либо опасных зон концентрации растягивающих напряжений во всех элементах конструкции панели как при силовых, так и при температурных воздействиях,

Рис. 8. Технологическая линия формования на длинных стендах завода КПД Новочебоксарского ДСК предварительно напряженных многопустотных панелей перекрытий из керамзитобетона класса по прочности В30 для несущего сборно-монолитного каркаса жилых каркасно-панельных зданий или для стеновых систем крупнопанельных зданий (2004 г.)

Рис. 9. Комплекс крупнопанельных зданий с трехслойными наружными стеновыми панелями из керамзитобетона и гибкими базальто-пластиковыми связями, внутренними стенами и панелями перекрытий из керамзитобетона (микрорайон Юго-Западный, г. Чебоксары, 2011 г.)

которые могут привести к возникновению и развитию трещин, прежде всего в наружном слое панели;

— благоприятным условиям влагомассопереноса при эксфильтрации или инфильтрации водяного пара (в зависимости от климатического сезона) через поперечное сечение стены, что обеспечивается близкими значениями коэффициентов паропроницаемости бетонов всех трех слоев панели;

— повышению надежности в эксплуатации панели благодаря высокой обеспеченности во времени показателей теплотехнического качества применяемых в ней легких бетонов различного назначения, а также показателей прочности и деформативности этих бетонов и, что немаловажно, благодаря высокой морозостойкости легких бетонов.

Новочебоксарский ДСК (ЧДСК) организовал с 2005 г. выпуск элементов сборно-монолитного каркаса из модифицированного конструкционного легкого бетона классов по прочности на сжатие В25—В35, марок по плотности D1750—D1850, изготовляемого на высокопрочном керамзитовом гравии собственного производства (рис. 6). Базовая технология была разработана при использовании результатов соответствующих исследовательских работ, выполненных НИИЖБ с участием ЧДСК. Такой каркас (базовая конструктивная схема каркаса из тяжелого бетона французской фирмы Saret) имеет смешанную конструктивную схему с продольными и поперечными ригелями и предназначен для применения в строительстве многоэтажных каркасно-панельных жилых зданий (рис. 7).

Конструктивные и технологические преимущества такого каркаса, основные элементы которого изготовляются только из керамзитобетона на длинных стендах (рис. 8), в сравнении с традиционными несущими каркасами зданий серий ИИ-02, ИИ-04 следующие:

— возможность изготовления всех элементов каркаса (колонн, ригелей, плит для несъемной опалубки) в одной и той же опалубке;

— возможность свободной планировки конструктивной системы здания;

— отсутствие сварных стыков при сборке каркаса как при стыковке колонн с ригелями, так и при наращивании колонн;

— расход сборного железобетона на 1 м2 общей площади здания составляет всего 0,23—0,3 м3;

— высокая сейсмоустойчивость здания.

Такой полностью легкобетонный каркас благодаря высокой эффективности становится все более востребованным строительными комплексами многих регионов европейской части страны, его уже применяют в Казани, Нижнем Новгороде, Нижнекамске, Самаре.

В дополнение к вышеизложенному следует отметить освоение Новочебоксарским ДСК производства забивных свай из керамзитобетона класса по прочности В30, марок по плотности D1800, а по морозостойкости — F300. Такие конструкции, предназначенные для свайного фундаментного ростверка здания, существенно более эффективны по сравнению с аналогичными конструкциями из равнопрочного тяжелого бетона с позиций:

— большей технологичности в применении при устройстве свайных ростверков (при забивке свай меньше повреждений в их оголовниках в силу большей ударной вязкости керамзитобетона, табл. 2);

— существенно большей долговечности: у керамзитобетона намного выше морозостойкость и водонепроницаемость (см. табл. 2).

Кроме того, необходимо отметить, что Новочебоксарским ДСК освоено производство:

— трехслойных наружных стеновых панелей с плитным утеплителем и базальтопластиковыми связями в развитие результатов соответствующих исследований и проектных разработок НИИЖБ-НИИСФ-МНИИТЭП, изложенных в работе [12] и успешно апробированных ранее на одной из технологических линий завода «Бекерон» (Москва). Такие панели, как показал почти десятилетний опыт (рис. 9), теплотехнически более эффективны и надежны в эксплуатации в сравнении с аналогичными панелями с жесткими железобетонными связями-перемычками;

— панелей внутренних стен из керамзитобетона с помощью кассетно-формовочных машин;

— панелей внутриквартирных перегородок из керам-зитобетона класса В5 марки по плотности D1250 с помощью формовочных машин Лко1ек фирмы Ектайс (Финляндия) методом экструдирования.

Далее следует привести выполненные НИИСФ (д-р техн. наук А.С. Семченков) результаты расчетов конструктивных систем каркасно-крупнопанельных зданий, все элементы которых выполняются из полифункциональных легких бетонов [14].

При выполнении всех вертикальных (колонны, панели наружных стен) и горизонтальных (ригели, диски

перекрытий) элементов сборного варианта конструктивной системы (КС) здания из легких, в том числе высокопрочных, бетонов классов по прочности при сжатии В15-В50, марок по средней плотности Б1200-Б1850 взамен равнопрочного тяжелого бетона на природных плотных заполнителях масса КС здания снижается до 35%.

Это позволяет сократить расход высокоэнергоемкой стальной арматуры:

- в горизонтальных элементах КС на 10-15%, что при расходе арматурной стали в них 50-80 кг на 1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат соответственно на 13-20 кг у. т. на 1 м3 железобетона;

- в колоннах на 15-20; что при расходе стальной арматуры 250-300 кг на 1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат соответственно на 85-110 кг у. т. на 1 м3 железобетона;

- в фундаментах на 15-20%, что при расходе стальной арматуры 40-100 кг на 1 м3 бетона обеспечивает снижение энергозатрат соответственно на 15-35 кг у. т. на 1 м3 железобетона.

Заключение

Анализ опыта комплексного применения полифункциональных легких бетонов, и в первую очередь модифицированных конструкционных взамен равнопрочных тяжелых бетонов на природных плотных заполнителях, показывает следующие основные преимущества как конструктивного, так и технологического характера применительно к строительству и эксплуатации крупнопанельных или каркасно-крупнопанельных зданий:

- уменьшение массы здания до 35%, что дает возможность:

а) снизить расход стальной арматуры: в горизонтальных элементах конструктивной системы (КС) здания на 10-15%, что обеспечивает снижение энергозатрат на 13-20 кг у. т. на 1 м3 железобетона; в вертикальных элементах КС (колоннах) - на 15-20%, что обеспечивает снижение энергозатрат на 85-110 кг у. т. на 1 м3 железобетона; в фундаментах - на 15-20%, что обеспечивает снижение энергозатрат 15-25 кг у. т. на 1 м3 железобетона; такой эффект особенно значителен для многоэтажных зданий;

б) снизить расходы на устройство фундаментов и расходы на возведение здания в целом; уменьшить или даже исключить возможно необходимые затраты на укрепление оснований под зданиями при слабых (про-садочных) грунтах;

- снижение на 20-30% тепловых потерь через наружные стены в местах сопряжений их с несущими конструкциями за счет выполнения последних из существенно менее теплопроводных (в 2,5-3,5 раза) легких бетонов в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами;

- повышение в целом теплотехнической однородности стен, особенно в варианте выполнения их со всеми слоями из легких бетонов различных видов и назначения, без связей; последнее обеспечивается достаточно высоким сцеплением слоев конструкционных легких бетонов и особо легкого теплоизоляционного бетона среднего теплоизолирующего слоя трехслойной панели, и работы таким образом конструкции панели единым монолитным сечением;

- повышение пожаробезопасности здания за счет более высокой огнестойкости легкого бетона в сравнении с равнопрочным тяжелым;

- улучшение экологической обстановки в регионах строительства за счет сокращения объемов разработки карьеров для производства природных плотных заполнителей и соответственно за счет утилизации крупно-

тоннажных техногенных отходов текущего выхода или хранящихся в отвалах для производства из них пористых заполнителей для КЛБ.

Все вышеизложенное свидетельствует о явной перспективности полифункциональных легких бетонов, и прежде всего конструкционных легких бетонов, особенно последних модификаций, для применения в ресурсоэнергосберегающем индустриальном домостроении.

Ключевые слова: полифункциональные, конструкционные, теплоизоляционные легкие бетоны, строительно-технические свойства бетонов, конструктивные системы зданий, несущий каркас здания, трехслойные наружные стеновые панели, крупнопанельные здания, каркасно-панельные здания.

Список литературы

1. Ярмаковский В.Н. Модифицированные легкие бетоны различных видов для ограждающих и несущих конструкций зданий. Научные труды II Международной конференции по бетону и железобетону. «Бетон и железобетон — пути развития». Т. 4. М., 2005, С. 176-186.

2. Савин В.К. Строительная теплофизика. Энергоперенос. Энергоэффективность. Энергосбережение. М.: Лазурь, 2005, 425 с.

3. Петров В.П., Макридин Н.И., Ярмаковский В.Н. Пористые заполнители и легкие бетоны. Материаловедение. Технология производства. Самара: СамГАСУ, 2009, 436 с.

4. Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-art report prepared by Task Group 8.1. CEB-FIP (fib), Stuttgart, 1999, 44 р.

5. Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // ACADEMIA, 2009. С. 297-305.

6. 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.

7. Lightweight Aggregate Concrete. Recommended extensions to Model Code 90, Guide. Identification of research needs, technical report. Case Studies, State-of-art report, CEB-FIP (fib), Stuttgart, 2000, 256 p.

8. ГОСТ 25820—2000. Бетоны легкие. Технические условия.

9. Патент на изобретение № 2169132. Госрегистр от 20.06.2001. В.Н. Ярмаковский, Б.А. Крылов и др. Смесь для изготовления теплоизоляционных изделий.

10. Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. Модифицированный полистиролбетон в ограждающих конструкциях зданий и инженерных сооружений // Строительные материалы. 2004. № 10 / Архитектура. № 2. С. 13—17.

11. Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. Трехслойные ограждающие конструкции из легких бетонов // Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях. М.: НИИСФ, 1997, С. 255—257.

12. Ярмаковский В.Н., Шапиро Г.И., Рогинский С.Л., Залесов А.С. Энергоэффективные ограждающие конструкции зданий с гибкими композитными связями // Энергосбережение. 2002. № 2. С. 32—34.

13. Рекомендации по расчету и проектированию ограждающих конструкций с применением монолитного теплоизоляционного полистиролбетона с высокопо-ризованной и пластифицированной матрицей. М.: НИИЖБ—МНИИТЭП, 2006. 50 с.

14. Семченков А.С. Наукоемкие конструкции и конструктивные решения многоэтажных железобетонных зданий. М.: ФГУП «ЦПП», 2007. 231 с.