CC BY
242
Конструкционные легкие бетоны новых модификаций -в ресурсоэнергосберегающих строительных системах зданий
В.Н. Ярмаковский, A.C. Семченков
1. Введение. Исходя из анализа мирового опыта решения актуальных проблем энергоресурсосбережения при строительстве и эксплуатации зданий, повышения долговечности их конструктивных систем, надежности и безопасности, можно сделать вывод, что одним из наиболее рациональных и реальных путей является комплексное использование легких бетонов разработанных новых модификаций (т.е. нового их поколения).
Под понятием «комплексное использование» имеется в виду не только традиционное использование легких бетонов в ограждающих конструкциях здания, но и в несущих конструкциях, т.е. полное использование таких бетонов в конструктивно-технологической системе здания.
Под понятием легкие бетоны новых модификаций имеется в виду разработанная за последние 10-15 лет НИИЖБом совместно с НИИСФом, с участием других организаций довольно широкая номенклатура модифицированных легких бетонов / 1-3/: от особо легких теплоизоляционных марок по плотности й150-Р250 (так называемых «бето-
нов-утеплителей») до конструкционных высокопрочных (классов по прочности до В66 вкл.) и высокодолговечных (марки по морозостойкости до F1500)
— типа High Performance (по классификации Международной федерации по конструкционному бетону — fib) /4/.
Эти бетоны изготовляются на пористых заполнителях новых видов или модификаций, производимых преимущественно на базе продуктов переработки многотоннажных техногенных отходов (металлургии и тепловой энергетики), а также на основе пористых горных пород вулканического происхождения. Используются также такие традиционные виды пористых заполнителей, как керамзит, но новых модификаций — с улучшенными строительно-техническими свойствами. Это — или особо легкий керамзит (марки по насыпной плотности «200») для высокопоризованных бес-песчаных конструкционно-теплоизоляционных бетонов или высокопрочный керамзит (марок по прочности П300 — П350) для бетонов типа High Performance. Модификация структуры цементно-
Традиционный легкий бетон на рядовом керамзитовом гравии марок по прочности П100-П125 с насыпной плотностью ун = 450- 550 кг/м3 и на кварцевом песке с Мкр = 2,5 Мелкозернистые бетоны при умеренной (Ув < 12%) поризации Бетоны на крупных пористых заполнителе и на кварцевом или шлаковом песке
на пористом гравии из переработанных шлаковых расплавов доменного и ферросплавного производств (П150-П250, ун = 650-800 кг/м3) и шлак/кварц песке на высокопрочном керамзитовом гравии (П300-П350, ун = 750-800 кг/м3) и кварц- песке с Мкр = 2,5 на безобжиговом зольном гравии (П125-П150 при ун = 600-700 кг/м3) и шлак/кварц- песок
на обжиговом керамзитовом песке с насыпной плотностью ун = 650-700 кг/м3 на гранулированных шлаках от выплавки ферросплавов (силикомарганца и ферромарганца) ун = 650-750 кг/м3
Класс бетона по прочности на сжатие В15-В27,5 (по ГОСТ 258202000 — max В20), марка по плотности D1600-D1700 Класс бетона по прочности В12,5-В15, марка по плотности 01150-01250 Класс бетона по прочности В12,5-В15, марка по плотности 01250-01350 Класс бетона по прочности В15-В50 (по ГОСТ 25820 -max В22,5), марка по плотности D1600-D1900 Класс бетона по прочности В40 - В66 (по ГОСТ 25820 -max В35), марка по плотности D1800-D1900 Класс бетона по прочности В15-В30, марка по плотности 01550-01800
Примечание: марки по морозостойкости модифицированных легких бетонов классов В22,5-В50 — соответственно от Р200 до Р1500 вкл., марки по водонепроницаемости от W4 до W20 вкл.
Таблица 1. Конструкционные легкие бетоны новых модификаций, в т.ч. для монолитного каркаса зданий (смеси высокоподвижные — ОК до 25 см), в сравнении с традиционным конструкционным легким бетоном
3 2010 31
песчаной матрицы легких бетонов производится активными минеральными добавками — микронаполнителями или химико-минеральными добавками различных новых видов в зависимости от назначения бетона /1-3/.
Разработанные соответствующие технологии модифицированных легких бетонов позволили существенно повысить их качественный уровень и сделать их высококонкурентоспособными в сравнении
с другими видами современных строительных материалов аналогичного назначения.
Остановимся здесь только на конструкционных легких бетонах (КЛБ) последних модификаций, поскольку бетон является в настоящее время и остается на реально обозримую перспективу основным конструкционным материалом в строительстве.
Свойства Преимущества Эффект
Плотность <20-50% Снижение массы конструкций, зданий, сооружений — сокращение расходов бетона, арматуры, уменьшение осадки здания
Уровень нижней границы области микротрещинообразования > на 0,05-0,13 Япр или на 12-23 % Выше граница перехода линейной ползучести в нелинейную — больше эффективность преднапряжения арматуры в конструкциях
Уровень верхней границы области микротрещинообразования > на 0,12-0,16 Япр или на 16-25 % Выше предел длительной прочности бетона
Коэффициент динамического упрочнения Предельная деформативность в режиме ударного нагружения >17-25 % >15-26 % Выше ударная вязкость — меньше относительное кол-во разрушающихся оголовков забиваемых свай. Выше долговечность свайных ростверков зданий
Морозостойкость Водонепроницаемость > на 2-5 марок > на 1-3 марки Увеличение долговечности конструкций и надежности зданий и сооружений в эксплуатации
Коэффициент теплопроводности < в 2,5-4 раза (при уолб=1200-1800 кг/м3 уолб =0,36-0,65 Вт/м °С против уотб = 2400-2500 кг/м3 , у^ = 1,5-1,6 Вт/м°С) Уменьшение негативного эффекта снижения теплотехнической однородности наружных стен зданий при сопряжении с несущими конструкциями, снижение теплоотдачи здания
Стойкость к огневому воздействию (Тя) > на 0,3-0,5 часа Увеличение предела огнестойкости конструкций по несущей способности, повышение пожаробезопасности здания
Условные обозначения. — призменная прочность бетона, ^,лб и — соответственно, плотность и коэффициент
теплопроводности легкого бетона в сухом состоянии, 7отб и У^6 — то же, тяжелого бетона.
Примечания.
1. Данные по разнице в свойствах приведены в интервале в зависимости от классов бетонов по прочности на сжатие и от вида применяемого в легких бетонах пористого заполнителя.
2. В соответствии с результатами исследований В.Г. Гагарина /6/ по дополнительным удельным теплопотерям (О.,) через теплопроводные включения наружных стен в виде кладки блоков из ячеистого бетона с р0 = 400 кг/м3 с облицовкой из кирпичной кладки, величина теплопотерь Очерез стык наружной стены с перекрытием близка к величине суммарных теплопотерь через вертикальные кладочные швы, перевязку кладок, армирование, горизонтальные швы из строительного раствора и составляет 5,31 Вт/м2.
Таблица 2. Основные преимущества в строительно-технических свойствах модифицированных конструкционных легких бетонов классов В15-В50 в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами
32 3 2010
2. Основные строительно-технические свойства модифицированных конструкционных легких бетонов. Перечень последних модификаций КЛБ в сравнении с традиционным видом конструкционного легкого бетона — керамзитобетоном на рядовом керамзите приведен в таблице 1.
Разработанные новые технологии позволили существенно улучшить показатели эксплуатационного качества КЛБ, повысить их конкурентную способность в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами, значительно расширить возможные области применения. Последнее обусловлено рядом преимуществ модифицированных КЛБ в основных строительно-технических свойствах. Они впервые систематизированы авторами статьи и приведены в таблице 2, причем с указанием конкретного эффекта от реализации определенных преимуществ КЛБ в конструкциях при замене в них равнопрочного тяжелого бетона.
Кроме перечисленных в таблице 2 преимуществ в свойствах КЛБ, которые можно определить количественно, весьма важно отметить и следующие:
— исключение развития в легком бетоне такого опасного 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; отсюда и относительно низкая 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 таблице 1, имеет конструкционный легкий бетон на пористом шлаковом гравии (ПШГ). Низкоэнергоемкая и экологически чистая технология производства ПШГ разработана НИИЖБом совместно с Уральским институтом черных металлов, запатентована и внедрена в 1999 г. на Ново-Липецком металлургическом комбинате /1/. Технология экспонировалась на многих международных выставках, признана наиболее эффективной технологией переработки металлургических шлаков в строительные материалы, награждена дипломом и медалью Международно-
го салона изобретений и промышленной собственности «Архимед-2001».
3. К условиям формирования структуры высокопрочных и высокодолговечных легких бетонов. Разработке новых технологий КЛБ предшествовали теоретические исследования по определению условий формирования микро- и макроструктуры высокопрочных и высокодолговечных легких бетонов на пористых заполнителях различных видов.
Эти исследования выполнялись с использованием математических моделей структурообразования легких бетонов, основных закономерностей механики разрушения и фундаментальных положений физи-ко-химии силикатных материалов. В частности, с использованием структурно-иммитационного метода моделирования были установлены аналитические зависимости, определяющие степень влияния параметров его макроструктуры на его прочность /7 /. В графическом выражении эти зависимости представлены на рисунке 1.
Результаты данных исследований позволили при использовании метода ранговой корреляции следующим образом расположить по степени влияния факторы, определяющие условия формирования оптимальной структуры высокопрочного легкого бетона (при условии равного объема пор):
— плотность и прочность контактной зоны зер-
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.
Рисунок 1. Влияние параметров макроструктуры п конструкционного легкого бетона на его прочность ц при сжатии (пр и цр — расчетные на модели соответственно параметры структуры и прочность бетона, пан и цан — то же, бетона-аналога)
на крупного заполнителя (включения) и цементнопесчаного камня (матрицы);
— однородность включений, их размер;
— размер пор и форма включений.
Первый фактор (а именно, прочность контактной зоны) является, по существу, определяющим в объяснении многих из перечисленных в таблице 2 преимуществ в свойствах КЛБ в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном, в частности, преимуществ в повышенных уровнях границ области мик-ротрещенообразования бетона, в морозостойкости и в водонепроницаемости легкого бетона.
Важное значение имеет здесь также преимущество КЛБ в сравнении с тяжелым бетоном в близости значений коэффициента линейного температурного расширения его составляющих (цементнопесчаного камня и зерна крупного пористого заполнителя), что способствует повышению сопротивляемости КЛБ знакопеременным температурным воздействиям, а также воздействию высоких температур. Относительная близость величин модулей упругости этих составляющих легкого бетона (Езб/Ерч » 1, где Ез6 — модуль упругости зерна
заполнителя в бетоне, а Е — модуль упругости затвердевшей растворной части бетона) определя-
ет 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 выше-отмеченные преимущества в основных строительно-технических свойствах (Е, R , R 0, R п, Р и W,
' р т т
см. таблицу 2) конструкционного легкого бетона на пористом шлаковом гравии в сравнении с равнопрочным не только тяжелым бетоном на природных плотных заполнителях, но и в сравнении с равнопрочным керамзитобетоном. Последнее подтверждают приведенные на рисунке 2 эпюры микротвердости Нт , замеренной с помощью прибора ПМТ-3 с алмазной пирамидкой в контактной зоне зерна крупного заполнителя с затвердевшей растворной частью бетона Нткз и непосредственно в цементно-песчаном камне Нтцк — растворной части между зернами крупного заполнителя.
Максимальная величина микротвердости в контактной зоне Н^кз обусловлена следующим характерным для КЛБ технологическим условием:
1 - Зерно ШПГ;
2 - стекловидная оболочка;
3 - цементнопесчаный камень (матрица)
Рисунок 2. Эпюры средних значений микротвердости (Нзатвердевшего (? = 28 сут. НВТ) цементнопесчаного камня (Н|іцк) — растворной части легкого бетона класса по прочности на сжатие В30 и ее контактной зоны (Н“) с зерном крупного пористого заполнителя:
а) условный фрагмент бетона на пористом шлаковом гравии (ШПГ);
б) условный фрагмент бетона на керамзитовом гравии (КГ).
I
— расстояние от центра зерна крупного заполнителя до осредненной условной ординаты эпюры
микротвердости контактной зоны.
I цк — то же, до осредненной ординаты условной центральной оси между зернами крупного заполнителя.
34 3 2010
1- зерно КГ;
2- оболочка обожженной керамики;
3- цементно-песчаный камень (матрица)
В /Ц < В /ц,
ист' з'
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 Н^кз составили в проведенных экспериментальных исследованиях для легкого бетона на ШПГ — 1580 кгс/мм2 для керамзи-тобетона — 1255 кгс/мм2, а осредненные значения Н^цк — соответственно 860 и 880 кгс/мм2. Таким образом, величина отношения Н^кз/Н^цк выше более чем на 25% у бетона на шлаковом гравии в сравнении с традиционным керамзитобетоном.
Последнее определяют следующие процессы и условия образования и сохранения плотной и прочной контактной зоны в легком бетоне на пористых заполнителях из металлургических шлаков (в частности, доменного производства):
а) гидратация минералов шлака (мелилита и др.) оболочки зерна заполнителя в присутствии сильного активатора (цем. клинкера) ^ образование высокопрочных гидрогранатов и гидросиликатов кальция С2БН(А) и СБН(В);
б) преимущественное содержание в оболочке зерна заполнителя шлаковых стекол наиболее гидравлически активной изотропной разновидности системы Са0-5102-А!203-Мд0- Ре203;
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.
4. Область и опыт применения конструкционных, в т.ч. модифицированных, 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, керамзитобетона и шлакопемзобетона). Эта база, катастрофически сокращенная 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, свидетельствуют явные преимущества применения в конструктивных системах зданий
модифицированных легких бетонов (особенно на пористых заполнителях — продуктах переработки техногенных отходов) в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами для решения проблемы энергоресурсосбережения при возведении и эксплуатации зданий, повышения их надежности и эксплуатации. К этому выводу приводят вышеприведенные данные (таблица 1, таблица 2, рисунки 1 и 2) и нижеизлагаемый краткий анализ применения таких бетонов в отечественной и особенно в зарубежной практике строительства последних двух десятилетий.
Так, в строительных комплексах стран Западной Европы, скандинавских стран, США, Канады доля конструкционных легких бетонов составляет, по данным fib /8-9/, уже более 35 % и наблюдается явная тенденция к ее увеличению. Более 1/3 объемов производства пористых заполнителей составляют продукты переработки по низкоэнергоемким технологиям зол и шлаков тепловой энергетики, металлургических шлаков и отходов углеобогащения. По прогнозу fib, на 2020 г. доля таких заполнителей в бетонах должна составить уже более 50%. Соответственно прогрессирующе сокращаются объемы разработок карьеров для производства существенно более энергоемких плотных заполнителей тяжелых бетонов: энергозатраты на производство 1 м3 гранитного щебня — 28 кг у.т. против 5 кг у.т. — для пористого шлакового гравия типа «pelletized slag». В строительном же комплексе России наблюдается, к сожалению, пока картина обратная.
4.1. Сборный конструкционный легкий бетон, в т.ч. предварительно напряженный. Особенно эффективно применение легкого бетона в сборных большепролетных несущих конструкциях зданий различного назначения, где существенную долю от расчетной нагрузки имеет их собственная масса. Об этом свидетельствует опыт применения в России следующих видов конструкций:
— предварительно напряженные тонкостенные ребристые плиты «на пролет» (3x18 м), панели-оболочки типа «КЖС» пролетом 18, 24 и 36 м, плиты покрытий безрулонной кровли из шлакопемзо-бетона класса по прочности на сжатие В30 для строительства промзданий и жилых зданий в г.г. Липецк, Череповец;
- «динакоры» - тонкостенные элементы покрытий коробчатого сечения пролетом до 40 м из ке-рамзитобетона кл. В30 для общественных зданий (г. Москва).
В информационных материалах fib сообщается информация 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, преднапряжен-ные 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 НИИЖБа /4-10/, нормируются прочностные и де-формативные свойства таких бетонов класса по прочности на сжатие уже до LC 88, что соответствует марке бетона М1000. В разработанном НИИЖБом ГОСТ 25820-2000 «Легкие бетоны. Технические условия» нормирование КЛБ ограничивается пока классом В40 вкл.
В НИИСФ начата работа по развитию стандарта, а также по актуализации СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» в части нормирования прочностных и деформативных характеристик легких бетонов классов до В60 вкл., причем дифференцированно по основным видам крупного пористого заполнителя.
В многочисленных как отечественных, так и зарубежных работах, посвященных анализу применения легкого бетона в сборных крупноразмерных армированных конструкциях, отмечается, как достоинство, возможность существенного уменьшения площади сечения и расхода арматуры в сравнении с аналогичными конструкциями из тяжелых бетонов.
Констатируя вышеизложенное, все же следует отметить начавшееся в последнее время возрож-
Рисунок 3. Возведение несущего каркаса здания с бесстыковыми колоннами и ригелями (типа «5аге1») из бетона классов В25-В35, марок по плотности Р1750-Р1850 на высокопрочном керамзитовом гравии производства Новочебоксарского ДСК (НЧ ДСК) (г. Казань, 2006 г.).
дение 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 домостроительных комбинатов городов Новочебоксарск и Томск.
Так, 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 01750-01850, изготовляемого на высокопрочном керамзитовом гравии собственного производства (рисунок 3). Базовая технология была разработана при использовании результатов соответствующих исследовательских работ, выполненных НИИЖБом с участием ЧДСК. Такой каркас (базовая конструктивная схема каркаса из тяжелого бетона — французской фирмы «БагеЬ>) имеет смешанную конструктивную схему с продольными и поперечными ригелями и предназначен для применения в строительстве многоэтажных жилых, общественных и вспомогательных зданий промышленных предприятий /11/.
Основные конструктивные и технологические преимущества такого каркаса, основные элементы которого изготовляются на «длинных» стендах, в сравнении с традиционными несущими каркасами зданий серии 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.
Технология производства легкобетонных элементов каркаса подобного типа с использованием керамзита собственного производства осваивается в настоящее время на «длинных» стендах и Томского домостроительного комбината.
В дополнение к вышеизложенному следует отметить освоение Новочебоксарским ДСК производства забивных свай из керамзитобетона класса по прочности В30, марок по плотности 01800, а по морозостойкости — Р300. 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, см. таблица 2);
— существенно большей долговечности — у керамзитобетона намного выше морозостойкость и водонепроницаемость (см. таблицу 2).
НИИЖБом с участием НИИСФа разработаны и начато внедрение сборных и сборно-монолитных колонно-стеновых конструктивных систем жилых зданий /12/ с применением легкобетонных конструкций, изготовляемых на «длинных» стендах методом безопалубочного формования с использованием стабилизированных высокопрочных арматурных канатов и высокопрочной проволоки Вр-2. Эффективность их определяется следующими основными факторами:
— изготовление на «длинных» стендах перекрытий и ригелей с использованием предварительно напряженных стабилизированных высокопрочных проволоки Вр-2 и арматурных канатов позволяет сократить в 1,5-2 раза расход стальной арматуры за счет отказа от арматурных каркасов;
— применение метода безопалубочного формования легкобетонных конструкций на «длинных» стендах позволяет отказаться от дорогостоящих цехов по изготовлению арматурных изделий, сократить трудоемкость и увеличить производительность изготовления конструкций более чем на 25% в сравнении с традиционными поточно-агрегатными линиями;
— применение изготовленных по указанной технологии предварительно напряженных легкобетонных конструкций в сборных и сборно-монолитных конструктивных системах жилых зданий взамен традиционных конструкций из равнопрочного тяжелого бетона позволяет снизить массу таких систем здания до 40% и за счет этого дополнительно снизить расход арматурной стали в фундаментах минимум на 15%.
4.2.Монолитный конструкционный легкий бетон. В гражданском строительстве бывшего СССР из монолитного легкого бетона в скользящей или объемно-переставной опалубках в 70-80-х гг. были возведены 9-16-этажные дома в более чем 30 крупных городах России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Узбекистана, Таджикистана, Туркмении и Латвии. Методом подъема монолитных перекрытий, выполненных из легкого бетона, возведены здания в Армении, Узбекистане и Таджикистане. Однако использовались легкие бетоны (в основном
керамзитобетон) классов по прочности только до В25 (М300).
Монолитный легкий бетон наиболее широко применяется в настоящее время в зарубежной практике уже более высоких классов по прочности (до В40 вкл. — для несущих каркасов зданий и до В60 вкл. — для конструкций инженерных сооружений) в США, Австралии, Японии, Германии, Австрии, Венгрии, Румынии и др. Европейских странах. Особенно эффективно монолитный легкий бетон используется при возведении высотных зданий. Первый известный авторам крупный нормативный документ
— «Указания по применению бетона в высотном строительстве» издан еще в 1963 г. Американским институтом бетона. Сюда вошли рекомендации и по легким бетонам.
Монолитные перекрытия из легких бетонов классов по прочности на сжатие В15—В30 рекомендованы МГСН 4.19—05 к применению в высотных зданиях, строящихся и в России /9/. Характерно, что перекрытия в высотных зданиях, возведенных в зарубежных странах уже более двух десятилетий, выполняются практически только из легкого бетона.
Немаловажно отметить, что в настоящее время проектировщики зарубежных фирм при выборе легкого бетона для конструктивной системы здания вместо тяжелого бетона во многом руководствуются обеспечением безопасности эксплуатации здания, а именно, требованиями его пожаробезопасности: исследованиями, выполненными в последние годы во многих зарубежных странах и в России, установлено значительное преимущество легкобетонных конструкций в огнестойкости не только в сравнении с металлоконструкциями, но и в сравнении с аналогичными конструкциями из равнопрочных тяжелых бетонов.
Использование разработанной в последние 5-8 лет НИИСФом совместно с НИИЖБом технологии изготовления высокопрочных (классов по прочности до В50-В66 вкл.) легких бетонов при высокоподвижных — ОК до 25 см (практически самоуплотняющихся и при этом нерасслаивающихся) бетонных смесях позволило существенно расширить область применения КЛБ в монолитном строительстве.
Наглядный пример: офисное 24-этажное здание фирмы Оаг-ОП-ТгаНе (дочерней фирмы ОАО «Газпром»), возведенное в 2007-2008 гг. в г. Москве с монолитным несущим каркасом из КЛБ класса В45 (М650) при до = 1800 кг/м3 на высокопрочном керамзитовом гравии Новочебоксарского ДСК (см. рисунок 4).
Применение модифицированного монолитного конструкционного легкого бетона весьма эффективно и при надстройке реконструируемых мало-
Рисунок 4. Строительство 24-этажного здания корпорации «Оах-оН-И^е» с несущими и ограждающими конструкциями из монолитного легкого бетона классов В40-В45 марок по плотности Р1750-Р1800 на высокопрочном керамзите НЧ ДСК (Москва, ул. Наметкина, д. 12, 2006 г.)
этажных (4-5 этажей) зданий, исходя из требований минимизации увеличения нагрузки на существующий фундамент. В настоящее время такой опыт успешно реализуется в г. Москве. При этом бетонирование предварительно напряженного легкобетонного перекрытия выполняется с натяжением пря-девой арматуры в построечных условиях.
Последние 5 лет практикуется также замена в реконструируемых зданиях железобетонных перекрытий, имеющих признаки начавшегося разрушения тяжелого бетона или коррозии арматуры в нем, на новые — из легких бетонов, с целью частичной разгрузки «старых» фундаментов.
Заключение. Анализ опыта комплексного применения 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:
— уменьшение массы здания до 30%, что дает возможность: снизить расход стальной арматуры
на 12-15% в нижележащих конструкциях и фундаментах; 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 (просадочных) грунтах; особенно все это эффективно для развивающегося строительства высотных зданий;
— снижение теплоотдачи здания или повышение до 15-20% уровня его тепловой защиты за счет повышения в целом теплотехнической однородности наружных стен, контактирующих с элементами несущего каркаса из существенно менее теплопроводных в сравнении с тяжелыми бетонами конструкционных легких бетонов;
— 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 крупнотоннажных техногенных отходов текущего выхода или хранящихся в отвалах для производства из них пористых заполнителей для КЛБ.
Вышеизложенное свидетельствует о явной перспективности конструкционных легких бетонов, особенно последних модификаций, для применения как в сборном, так и в монолитном вариантах, в современных конструктивных системах энергоэффективных и надежных в эксплуатации зданий.
Список литературы
1. Ярмаковский В.Н. Модифицированные легкие бетоны различных видов для ограждающих и несущих конструкций зданий. Научные труды II-ой Международной конференции по бетону и железобетону. «Бетон и железобетон — пути развития», т. 4. — М., стр. 176-186.
2. Пригоженко О.В., Андрианов A.A., Ярмаковский В.Н. Высокопрочный керамзитобетон из высокоподвижных смесей. — там же, что и (2), стр. 128-135.
3. Петров В.П., Макридин Н.И., Ярмаковский В.Н. Пористые заполнители и легкие бетоны. Материаловедение. Технология производства. — Учебное пособие, СамГАСУ, г. Самара, 2009, 436 стр.
4. Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-art report prepared by Task Group
8.1. CEB-FIP (fib), Stuttgart, 1999 pp, коллектив авторов из 11 стран, в т.ч. от России — Ярмаковский В.Н.
5. Рахимов Р.З., Магдеев У.Х. Ярмаковский В.Н. Экология, научные достижения и инновации в произ-
водстве строительных материалов на основе и с применением техногенного сырья. — Журнал «Строительные материалы». Выпуск 12, 2009 г. стр. 8-11.
6. Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий. Журнал «ACADEMIA. Архитектура и строительство». — М., РААСН, 2009, стр. 297-305.
7. Кондращенко В.И., Ярмаковский В.Н. Оценка условий формирования макроструктуры высокопрочных легких бетонов с позиций механики разрушения. — Вестник отделения строительных наук 2007. Выпуск 11. стр. 320-328.
8. 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.
9. Семченков A.C., Ярмаковский В.Н. Комплексное использование легких бетонов в высотном строительстве. Раздел монографии «Современное высотное строительство», 464 стр. — ГУП «ИТЦ «Москомархитектуры», М., 2007, стр. 411-413.
10. 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 pp, коллектив авторов из 11 стран, в т.ч. от России — Ярмаковский В.Н.
11. Юдин И.В., Ярмаковский В.Н. Инновационные технологии в индустриальном домостроении с использованием конструкционных легких бетонов
— журнал «Строительные материалы», выпуск 1, 2010, стр. 15-17.
12. Семченков A.C. Наукоемкие конструкции и конструктивные решения многоэтажных железобетонных зданий. — ФГУП «ЦПП», М., 2007, 231 стр.
Конструкционные легкие бетоны новых модификаций - в ресурсоэнергосберегающих строительных системах зданий
В статье систематизированы и обсуждаются результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке конструкционных легких бетонов новых модификаций. Выполнена интегральная оценка перспективности применения таких бетонов в конструктивно-технологических системах зданий в свете решения задач энергоресурсосбережения при их возведении и эксплуатации, повышения надежности и безопасности.
Structural lightweight aggregate concretes of new modifications - in resources-energy-keeping buildings systems of the constructions
by V.N. Yarmakovsky, A.S. Semchenkov
The theoretical and experimental investigations results in the sphere of structural lightweight aggregate concretes (LAC) of new modifications development are systematized and discussed in this paper. There are the integral estimation of the perspectives of such types LAC using in the structural-technological systems of the buildings in connection with task's decision necessity of the resources-energy-keeping attached to buildings construction and exploitation, to increasing of reliability and safety tasks.
Ключевые слова: ресурсоэнергосбережение, конструктивно-технологические системы, здания, модифицированные легкие бетоны, конструкции, прочность, долговечность, надежность, безопасность.
Keywords: resources-energy-keeping, structural-technological systems, buildings, modified lightweight concretes, structure, strength, durability, reliability, safety.
