Конструкционные легкие бетоны в современном строительстве

Анализ мирового опыта решения актуальных проблем энергоресурсосбережения при строительстве и техническом обслуживании зданий и инженерных сооружений, повышения их надежности, долговечности и безопасности в эксплуатации (в том числе пожарной) показывает, что выходом является комплексное использование легких бетонов нового поколения (от особо легких теплоизоляционных до конструкционных высокопрочных).

Под понятием "комплексное использование" имеется в виду не только традиционное использование легких бетонов в ограждающих конструкциях, но и в несущих, т. е. полное их использование в конструктивной системе зданий и инженерных сооружений в целом.

Под понятием "легкие бетоны нового поколения" имеется ввиду разработанная за последние 10 лет НИИЖБом с участием НИИСФа, МНИИТЭПа и др. организаций номенклатура легких бетонов со структурой, модифицированной различными химическими и минеральными добавками, на эффективных пористых заполнителях новых видов или традиционных видов, но с улучшенными строительно-техническими свойствами. Такая модификация структуры легких бетонов позволила существенно повысить их качественный уровень и, соответственно, повысить их конкурентную способность в сравнении с другими видами современных строительных материалов.

В частности, модификация структуры конструкционных легких бетонов значительно расширила возможную область их применения за счет следующих основных их преимуществ в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами на природных плотных заполнителях, установленных в исследованиях НИИЖБа последних лет1:

- меньшая на 20 - 50 % плотность;

- более высокий (на 0, 1 - 0, 2 Rnp) уровень нижней границы области мик-ротрещинообразования бетона R^-, соответственно более высокий предел выносливости бетона при действии многократно повторяющихся статических нагрузок сжатия;

- более высокий (на 0, 05 - 0, 15 Rnp) уровень верхней границы области мик-ротрещинообразования бетона R+v;

соответственно более высокий предел длительной прочности бетона;

- выше на 1-5 марок морозостойкость бетона и на 1-3 марки водонепроницаемость;

- ниже в 1, 5-2, 0 раза коэффициент теплопроводности бетона;

- выше на 300-500 гр. С температура службы бетона, выше огнестойкость.

В бывшем СССР была создана производственная база, обеспечивающая почти в полном объеме строительство зданий и инженерных сооружений с комплексным применением легких бетонов (в основном керамзитобетона и шлакопемзобетона). Эта база, к сожалению, существенно 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 свидетельствует явная перспективность конструкционных легких бетонов для применения в современных конструктивных системах зданий и инженерных сооружений. К этому выводу приводит нижеизлагаемый краткий анализ применения таких бетонов в отечественной и зарубежной практике строительства.

***

СБОРНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЛЕГКИЙ БЕТОН, в том ЧИСЛЕ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫЙ

Весьма 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 в 70-80-х гг. следующих видов конструкций промышленных и общественных зданий:

- предварительно напряженные тонкостенные ребристые плиты "на пролет" (3x18 м), панели-оболочки типа "КЖС" пролетом 18, 24 и 36 м из шлакопемзобетона класса по прочности на сжатие ВЗО для строительства промзданий в Липецке, Череповце;

- "динакоры" - тонкостенные элементы покрытий коробчатого сечения пролетом до 40 м из керамзитобетона класса ВЗО для общественных зданий (Москва).

В информационных материалах CEB/FIB (в дальнейшем - fib) 2-3 имеется 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, преднапряженные стропильные фермы, консольные элементы кровли пролетом до 30 м, большепролетные балки, перекрытия, плиты покрытий, крупноразмерные оболочки покрытий различной конфигурации, пролетные строения мостов.

В международном стандарте на конструкционный легкий бетон, разработанном целевой группой "Task Group 8. 1 fib" с участием автора настоящей статьи, нормируются прочностные и деформативные свойства такого бетона класса по прочности на сжатие до LC 88, что соответствует марке бетона М1000 по ГОСТу 25820.

В многочисленных как отечественных, так и зарубежных работах, посвященных анализу применения легкого бетона (4) в сборных крупноразмерных армированных конструкциях, отмечаются как достоинство возможность уменьшения площади сечения и расхода арматуры в сравнении с аналогичными конструкциями из тяжелых бетонов.

При определении эффективности от применения легкого бетона в сборных преднапряженных конструкциях значительное внимание уделяется снижению транспортных расходов, которые здесь являются важным фактором при принятии решения об использовании того или иного вида бетона.

Следует в завершении отметить такие уникальные примеры применения керамзитобетона в сборных конструкциях, как: - забивные сваи, высоконапорные трубы больших диаметров в России, цилиндрические трубы малых диаметров в транспортном строительстве в США; - сборные элементы морских гидротехнических сооружений, в частности сваи-оболочки причальных сооружений и платформы для добычи нефти в северных приливных морях (Канада, Норвегия).

Монолитный КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЛЕГКИЙ БЕТОН

Строительство монолитных зданий из легких бетонов высотой преимущественно до 8 этажей получило развитие в СССР с 1927 г. К 80-м гг. в России из монолитного легкого бетона выполнялись и отдельные конструкции, и полностью конструктивные системы зданий и сооружений практически во всех видах строительства. Выполнялись в монолитном варианте различные типы перекрытий, покрытий, рамные конструкции, колонны зданий, лифтовые шахты и даже такие конструкции, как цилиндрические оболочки, диафрагмы и арки.

В гражданском строительстве бывшего СССР из монолитного легкого бетона в скользящей или объемно-переставной опалубках возведены 9-16-этажные дома в более чем 30 крупных городах России, Украины, Казахстана, Узбекистана, Таджикистана, Туркмении и Латвии; методом подъема монолитных перекрытий, выполненных из легкого бетона, возведены здания в Армении, Узбекистане и Таджикистане. Использовался в основном керамзитобетон, шлакопемзобетон, бетон на природных пористых заполнителях классов по прочности на сжатие В3, 5-В25 (марок М50-М300).

Монолитный легкий бетон наиболее широко применялся и применяется в настоящее время в США, Австралии, Японии, Германии, Австрии, Венгрии, Румынии и др. европейских странах. Особенно эффективно монолитный легкий бетон используется при возведении высотных зданий (например, "Australian Square" - в Сиднее, "Picasso Tower" в Мадриде, "Like Point Tower" - в Чикаго, административные здания высотой 218, 222 и 310 м. - в г. Хьюстоне, правительственное здание "Tokyo City Hall" в Японии (фото 1). 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 (5, 6).

Следует отметить применение монолитного легкого бетона класса В25-В30 в следующих примерах уникальных конструкций и сооружений гражданского назначения США, приведенных в информационных обзорах fib 1999-2000 гг. :

- складчатое оболочечное покрытие здания "Assembly Hall" Иллинойского университета; здесь 24 изогнутых сегментных пластины связаны предварительно напряженной кольцевой балкой диаметром 122 м;

- покрытия из сводов-оболочек, опирающихся на четыре контрфорса, пролетом 18-28 м для терминала аэропорта Кеннеди (Нью-Йорк).

При оценке в вышеуказанных странах эффективности применения монолитного легкого бетона в зданиях, особенно высотных, принимается во внимание не только эффект снижения их массы на 20-30 % с соответствующим снижением нагрузки на основания и возможным существенным сокращением расхода арматуры и расходов на возведение фундаментов. Большое значение для фирм, которые производят и транспортируют легкобетонные смеси, имеет фактор уменьшения их массы на 20-50 %.

Немаловажно отметить, что проектировщики при выборе легкого бетона во многом руководствуются обеспечением безопасности эксплуатации здания, а именно: требованием его пожаростойкости. Исследования, выполненные во многих странах, установили значительное преимущество легкобетонных конструкций в огнестойкости не только в сравнении с металлоконструкциями, но и в сравнении с аналогичными конструкциями из тяжелых бетонов.

Монолитные легкие бетоны эффективны в применении и в промышленном строительстве. Это доказано примерами успешного возведения в скользящей опалубке, например в России, конструкций силосов, элеваторов диаметром более 20 м и высотой более 60 м. Следует особо отметить эффективность использования монолитных легких бетонов для изготовления конструкций с высокой температурой службы (от 900 до 1200 гр. С): фундаменты коксовых батарей, борова нагревательных печей на коксохимических и металлургических комбинатах и т. д.

В транспортном строительстве из монолитного легкого бетона выполняют конструкции мостов, покрытия дорог и аэродромов. Эффективность применения легкого бетона в пролетных строениях мостов определяется прежде всего отношением собственного веса этих конструкций к общей расчетной постоянной и временной нагрузкам. Последние 20-30 лет в мировой практике строительства мостов в большинстве стран применяются практически только легкие бетоны.

В последние 5 лет НИИЖБом разработаны и успешно используются в облегченных монолитных и сборно-монолитных несущих каркасах зданий модифицированные конструкционные керамзитобетон и шлакопемзобетон классов по прочности на сжатие от В15 (М КВ. 00) до В40 (М500) включительно при плотности в сухом состоянии у0 = 1200 - 1900 кг/м куб. (фото 2). При этом для густоармированных конструкций используются высокоподвижные (ОК до 25 см) бетонные смеси.

Масса конструкции при замене тяжелого бетона на легкий снижается от 25 до 100 %, т. е. до 2 раз. Характерно, что при этом по прочностным и деформативным характеристикам модифицированные конструкционные легкие бетоны близки к тяжелым бетонам.

Отсюда понятна возможность уменьшения сечения конструкции и снижения расхода арматуры, что и реализуется в современной практике строительства.

Применение модифицированного монолитного конструкционного легкогобетона весьма эффективно при надстройке реконструируемых малоэтажных зданий, в частности 5-зтажек, исходя из требований минимизации увеличения нагрузки на существующий фундамент. В настоящее время такой опыт успешно реализуется в Москве. На фото 3 приведен один из примеров возведения такой надстройки из конструкционного модифицированного керамзитобетона. Здесь показано бетонирование предварительно напряженного перекрытия с натяжением прядевой арматуры в построечных условиях.

Последние 2-3 года практикуется также замена в реконструируемых зданиях железобетонных перекрытий, имеющих признаки начавшегося разрушения бетона или коррозии арматуры, на новые - из легких бетонов с целью частичной разгрузки фундаментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ опыта комплексного применения легких бетонов, и в первую очередь модифицированных конструкционных (керамзитобетон, шлакопемзобетон) взамен равнопрочных тяжелых бетонов на природных плотных заполнителях, показывает следующие основные преимущества как технологического, так и конструктивного характера:

- уменьшение массы здания до 30 %, что дает возможность снизить расход стальной арматуры на 12-15 % в нижележащих конструкциях и фундаментах; снижение расходов на устройство последних и расходов на строительство здания в целом;

- снижениетеплоотдачи здания или повышение на 10-20 % уровня его тепловой защиты за счет повышения в целом теплотехнической однородности оболочечной конструктивной системы здания (наружных стен, покрытий, контактируемых с элементами несущего каркаса из относительно низкотеплопроводных конструкционных легких бетонов);

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

- упрощение технологии производства железобетонных конструкций и изделий на предприятиях стройиндустрии, изготовляющих и несущие, и ограждающие конструкции, что обусловлено использованием на бетоносмесительном узле предприятия крупного заполнителя одного вида и, соответственно, сокращением необходимых трактов подачи материалов и технологического оборудования; снижение транспортных расходов.

Вышеизложенное свидетельствует о явной перспективности конструкционных легких бетонов для применения в современных конструктивных системах зданий и инженерных сооружений. В настоящее время это является одной из важнейших задач развития строительного комплекса страны.

(1) "Железобетон в XXI веке" , "Состояние и перспективы развития бетона и железобетона в России" , раздел 2. 5 (автор В. Н. Ярмаковский), "Легкие бетоны на пористых заполнителях". Н. , НИИЖБ, 2001.

(2) "Lightweight Aggregate Concrete. Codes and standards. State-of-art report prepared by Task Group 8. 1". CEB-FIP (fib), Stuttgart, 1999, коллектив авторов из 11 стран, в т. ч. от России - В. Н. Ярмаковский.

(3) "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, коллектив авторов из 11 стран, в т. ч. от России - В. Н. Ярмаковский.

(4) ГОСТ 25820-Z000 "Бетоны легкие. Технические условия".

(5) МГСН 4. 19-05 "Многофункциональные высотные здания и комплексы" , раздел 6 "Надземная часть конструкций" , коллектив авторов, в т. ч. В. Н. Ярмаковский.

(6) Ю. А. Матросов, В. Н. Ярмаковский. "Рекомендации по проектированию тепловой защиты и энергоэффективности высотных зданий" , Информационный сборник N2: "Новые материалы, конструкции, оборудование и технологии в строительном комплексе г. Москвы" , Центр новых строительных технологий. М" 2005 г.

- Фото 1. Правительственное здание "Tokyo City Hall" (Япония, 1991 г. ) высотой 243 м (48 этажей). Перекрытия выполнены из монолитного легкого бетона класса В15.

-Фото 2. Возведение монолитного несущего каркаса из легких бетонов на пористом шлаковом гравии Новолипецкого металлургического комбината и наружных стен с монолитной теплоизоляцией из полистиролбетона в несъемной опалубке, которой служит кирпичная кладка (строительство жилого здания в Воронеже).

-Фото 3. Бетонирование предварительно напряженных перекрытий из керамзитобетона класса В27. 5 (ОК = 25 см) с натяжением арматуры в построечных условиях (устройство легкой двухэтажной надстройки в реконструируемом здании, Москва).