Новые перспективы ячеистых бетонов

Точки зрения

Теплотехник
Конструктор
Строитель-практик
Обозреватель

Эпюра плотности

Ячеистый бетон – сравнительно новый материал; если кирпичу 3000 лет, то ему не более 100. Это искусственный пористый камень, способный плавать в воде, отвечающий всем требованиям нормативных документов, предъявляемым к строительным материалам, по прочности, деформативности, морозостойкости, его теплозащитные свойства в 2–3 раза выше, чем у кирпича. Стена из этого материала «дышит», создавая в помещении идеальный микроклимат, особенно полезный при легочных, сердечно-сосудистых и суставных заболеваниях, но бетон, в отличие от древесины, обладающей теми же свойствами, не горит и не гниет.

Известны два вида этого материала: газобетон и пенобетон. Ячеистый бетон – дешевый местный материал, ему трудно было пробиться на рынок в условиях затратного механизма экономики, когда приветствовалось «осваивание миллионов рублей». Тем не менее, в Советском Союзе работало около 100 крупных заводов, выпускавших стеновые блоки и панели, плиты покрытий и перекрытий из ячеистого бетона (сейчас многие заводы оказались за рубежом – в Белоруссии, на Украине, в Прибалтике). В Швеции до 80 процентов всех сооружений выполняются из этого эффективного материала.

Последние годы характеризуются новым всплеском интереса к ячеистому бетону. Это обусловлено двумя причинами: ужесточением норм в отношении требований теплозащиты строительных элементов и новыми достижениями в технологии и конструировании ячеистобетонных изделий.

Согласно Изменению № 3 СНиП 11-3-79, принятому еще в 1995 году, требуемое сопротивление теплопередаче к 2000 году увеличивается в 3–4 раза. Если в средней полосе России толщина кирпичной стены составляла 64 см то теперь по нормам она должна быть более двух метров, что совершенно неприемлемо и по материальным затратам, и по трудоемкости возведения стены, и по транспортным расходам, и, наконец, по имеющейся производительности кирпичных заводов. Аналогично возросли требования теплозащиты покрытий, чердачных и цокольных перекрытий.

В этих условиях нельзя было не вспомнить об ячеистом бетоне, который способен обеспечить требуемую теплозащиту при толщине стены 40–60 см. Вес одного квадратного метра такого ограждения может быть менее 300 кг, что в три раза меньше веса прежней 64-сантиметровой стены, соответственно, меньше и трудозатраты, и транспортные расходы. Ячеистый бетон решает и проблему индустриализации строительства, поскольку из него можно делать крупноразмерные изделия – стеновые панели, плиты покрытий и перекрытий.

Важной характеристикой ячеистого бетона является его плотность, т. е. масса одного кубического метра материала, которая может составлять от 200 до 1200 кг/куб. м. Чаще всего для конструктивных элементов, используют бетон плотностью 600–700 кг/куб. м. Чем плотность ниже, тем лучше теплозащита, тем меньше расход материальных, трудовых и энергетических ресурсов. Однако, имеется фактор препятствующий снижению плотности. Существует общая закономерность – чем выше пористость (т. е. чем ниже плотность) материала, тем меньше его прочность. Для ячеистого бетона эта зависимость – кубическая, т. е. снижение плотности в два раза приводит к падению прочности в восемь раз.

Прочность ячеистому бетону необходима для восприятия им расчетных нагрузок, она регламентируется нормативной и технической документацией в зависимости от вида и назначения изделия. Возможны случаи, когда снижению плотности препятствуют другие факторы, помимо прочности.

При сравнительно малых расчетных нагрузках, например, в стене одно- или двухэтажного коттеджа, плотность ячеистого бетона, по условиям прочности, могла бы быть и более низкой, но ее невозможно уменьшить из-за недопустимо снижающейся твердости бетона. В других случаях препятствием на пути уменьшения плотности оказывается снижающаяся морозостойкость, или недопустимо возрастающая воздухопроницаемость (последнее особо важно для районов с сильными ветрами, например, для Приморского края). Здесь возникает вопрос защиты, ячеистого бетона от внешних воздействий.

Любое реальное тело возникает, существует и исчезает в окружении внешней среды, которая включает в себя силы, действующие на тело, характеризуется такими параметрами, как температура, химический состав, наличие излучений и т. п. Среда, на всех стадиях существования тела активно воздействует на последнее через его поверхность, являющуюся границей между телом и окружающей средой. Во всех точках тела возникают реакции на воздействия среды, причем, величина реакций не одинакова, она зависит от координат рассматриваемой точки, от степени ее экранированности собственным материалом тела. Максимальные воздействия всегда воспринимает поверхность и она защищает внутренние слои тела.

На заре развития крупнопанельного домостроения пытались делать двухслойные стеновые панели, в которых ячеистый бетон был защищен слоем тяжелого бетона, однако вскоре от этого отказались по ряду причин:

• Функционально достаточно было слоя тяжелого бетона толщиной 1–2. см, но технологически трудно было выполнить слой менее 4–5 см, панель получалась излишне тяжелой и материалоемкой;
• Панель требовала двух технологических линий – для тяжелого и для ячеистого бетона, она фактически, дважды формовалась, что недопустимо увеличивало трудозатраты;
• Слои характеризовались разной усадкой, они имели разные коэффициенты температурного расширения и паропроницаемости, что приводило к появлению внутренних напряжений;
• Между слоями была резких граница, что приводило к концентрации напряжений;
• Вследствие разной паропроницаемости слоев, на границе между ними конденсировалась влага, которая зимой превращалась в лед с увеличением объема; в результате чего панель расслаивалась.

Для исключения перечисленных недостатков необходимо было создать защитный слой с требуемой прочностью, твердостью, морозостойкостью, паро- и воздухо- проницаемостью, из того же материала, что и остальной ячеистый бетон. При этом, толщина слоя должна быть задаваемой в пределах 0,5–5 см, между слоями не должно быть резкой границы и все это должно создаваться в пределах одного технологического процесса, на одной линии, без привлечения дополнительных материалов. Ниже будет показано, что такой процесс разработан.

В ряде случаев снижение прочности ячеистого бетона можно компенсировать соответствующим армированием, однако это реально лишь при условии достаточной анкеровки арматурных стержней. Проблема заключается в том, что уменьшение плотности ячеистого бетона до 600 кг/куб. м и ниже приводит к резкому ухудшению анкеровки. В результате, расчетный расход арматуры, например, плитных изделий, достигает 10–12 кг на один квадратный метр конструкции и он катастрофически возрастает с уменьшением плотности ячеистого бетона.

В связи с этим, разработана система армирования, которая снижает расход стали на 20–40 процентов и этот расход не возрастает, а уменьшается по мере снижения плотности ячеистого бетона в конструкции.

Рассмотрим сначала влияние плотности ячеистого бетона на его коэффициент теплопроводности и требуемую толщину стены. Примем среднее количество градусо-суток отопительного периода, равное 6000. При этом требуемое сопротивление теплопередаче стены составит 3,5 кв. м*К/Вт. Результаты вычислений приведены в табл. 1.

Стена из ячеистого бетона плотностью 600–700 кг/куб. м может эксплуатироваться и без защитного слоя (в неагрессивной воздушной среде), но при плотности 400 кг/куб. м и ниже защита необходима.

В идеальном случае плотность ячеистого бетона в поверхностном слое толщиной не менее 0,5–1 см должна быть 700–900 кг/куб. м, при этом обеспечиваются все требуемые показатели – и прочность, и твердость, и морозостойкость, и пр. Далее, по мере приближения к серединному слою стены, плотность должна плавно, постепенно, по заданному закону, уменьшаться до проектной минимальной на расстоянии 3–5 см от наружной поверхности стены. На внутренней стороне создается другой слой переменной плотности, со своими проектными показателями (см. рис. 1). При этом между слоями нет резкой границы, отсутствует зона концентрации напряжений и накопления конденсата. Такие изделия называются вариатропными. Технология их изготовления разработана и успешно прошла промышленную проверку на ряде заводов.

Вариатропия весьма распространена в природе, она реализуется в строении листа растения и скорлупы ореха; раковины моллюска и хитинового панциря членистоногих; кожных покровах и стенках кровеносных сосудов представителей фауны. Кости черепа, защищающие самое ценное в организме – мозг и основные органы чувств – также имеют вариатропное строение. Этим и объясняются уникальные эксплуатационные качества и экономичность природных аналогов строительных конструкций.

Вариатропное строение целесообразно не только для стен, но и для плитных изделий – покрытий и перекрытий. Оно предпочтительно даже тогда, когда плита не подвергается прямому воздействию агрессивной внешней среды, как, например, плита междуэтажного перекрытия. В конструкции работающей на изгиб наиболее нагружены две зоны – сжатая и растянутая. Обе они расположены в поверхностных слоях плиты, а ее центр практически не испытывает серьезных напряжений. В определенной степени это относится и к несущим внутренним перегородкам, работающим на продольный изгиб. Вариатропное строение позволяет повысить несущую способность плиты, уменьшить ее толщину, снизить прогиб под нагрузкой, сократить расход арматуры.

Однако разработанная система армирования позволяет серьезно уменьшить расход арматурной стали и в однородных (не вариатропных) ячеистобетонных конструкциях. Плита, работающая на поперечный изгиб, может рассматриваться в двух вариантах: либо к ней не предъявляются требования по теплозащите (междуэтажное перекрытие, покрытие не отапливаемого помещения), либо предъявляются (цокольное и чердачное перекрытие) В первом случае плиту будем называть «холодной», а во втором – «теплой». Для теплой плиты назначим среднее значение требуемого сопротивления теплопередаче, равное 4,6 м*К/Вт.

Заданная величина может быть обеспечена двумя путями: либо для выбранной плотности ячеистого бетона вычисляется необходимая толщина плиты, либо толщина назначается по архитектурно-планировочным соображениям, а требуемое сопротивление теплопередаче достигается путем укладки на плиту дополнительной теплоизоляции.

В качестве дополнительной теплоизоляции могут применяться самые различные материалы – от вспененных полимеров и минераловатных плит (плотностью 40–350 кг/куб. м) до шлаковых или керамзитовых засыпок (плотностью до 800 кг/куб. м). В данной работе использован средний вариант теплоизоляции – ячеистый бетон плотностью 400 кг/куб. м, а толщина слоя утеплителя назначалась такой, чтобы обеспечить требуемую теплозащиту. Вес наносимого утеплителя (с максимальной влажностью 25 процентов) учитывался при расчете плиты на прочность.

Расчетная нагрузка на плиту (сверх собственного веса) принималась такой, чтобы плита могла работать и в качестве междуэтажного (цокольного) перекрытия, и покрытия, воспринимающего снеговую нагрузку, регламентированную для III снегового района (С. Петербург, Москва, Тюмень, Челябинск и др.).

Ниже приводятся результаты расчета вариантов однородной (однослойной) плиты, выполненные по конкретному заказу. Размер плит в плане 5,2х1,2 м, толщина от 20 до 62 см при плотности ячеистого бетона 400–800 кг/куб. м, прочности не менее 15 кгс/кв. с2 и морозостойкости не ниже PI5. В таблице 2 показана необходимая толщина слоя теплоизоляции h, при разной плотности ячеистого бетона и разной толщине плиты, а также приведены значения термического сопротивления «холодной» плиты Rп и слоя теплоизоляции Rт [кв. м*К/Вт].

Из таблицы 2 видно, что по мере снижения плотности бетона и увеличения толщины плиты, уменьшается потребность в дополнительно наносимой теплоизоляции. Таблица 3 показывает, что одновременно с этим уменьшается и расход арматуры. В идеальном случае плотность ячеистого бетона в конструкции должна быть минимальной, обусловленной технологическими и иными соображениями, а толщина плиты – такой, при которой отпадает потребность в дополнительной теплоизоляции.

Отказ от теплоизоляции дает дополнительные преимущества: не требуется изготовлять или приобретать теплоизоляционный материал, транспортировать его, поднимать на этаж, вручную укладывать на плиты перекрытия, наносить цементную стяжку (мокрый процесс) и т. д.

В таблице 3 приведены следующие показатели плит: суммарная толщина, включая теплоизоляцию [сумма]H; общий вес (c учетом влажности бетона, веса теплоизоляции и арматуры), [сумма]G; расход арматуры диаметром 10–12 мм (класс A-III), диаметром 4–5 мм (класс Bp-I); приведен также общий расход арматурной стали на плиту [сумма]А и ее удельный расход УА, кг/кв. м.

Характеристики плиты, не требующей дополнительной теплоизоляции, приведены в таблице 4.

Для заинтересованных организаций могут быть выполнены альбомы рабочих чертежей ячеистобетонных конструкций с любыми заданными характеристиками: размеры, термическое сопротивление, несущая способность и пр. Могут быть разработаны технические условия, технологические регламенты, переданы чертежи оборудования, оказана помощь в практическом освоении производства и испытании конструкций.

Алексей Чернов,
доктор технических наук,
заслуженный изобретатель РСФСР

В статье доктора технических наук А. Н. Чернова «Новые перспективы ячеистых бетонов» содержатся весьма актуальные и технически обоснованные положения о целесообразности широкого внедрения в строительство жилых, общественных и административно-бытовых зданий наружных ограждающих конструкций из ячеистых бетонов – газо- и пенобетона.

Разработанная концепция по формированию в процессе изготовления стеновых и кровельных панелей слоев ячеистого бетона различной плотности с использованием в необходимых случаях армирования позволяет сочетать в единой конструкции два необходимых качества: прочность к внешним воздействиям и теплозащитные показатели, отвечающие требованиям энергосбережения, принятым как в мировой практике, так и в нормативных документах Госстроя Р Ф и внедряемым повсеместно с 1995–96 гг.

С учетом требований, изложенных в последней редакции СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», нами были выполнены теплотехнические расчеты на основании нормативных величин приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен для климатических условий Северо-Западного региона. Для исходных условий принята описанная в статье конструкция стеновой панели из ячеистого бетона с двумя внешними слоями толщиной по 30 мм, плотностью 800 кг/куб. м, коэффициентом теплопроводности 0,37 Вт/м*град. С, внутренним теплозащитным слоем плотностью 300 кг/куб. м и коэффициентом теплопроводности 0,13 Вт/м*град. С (для условий эксплуатации «Б»). Ниже приведены величины общей толщины стеновой панели для характерных случаев применения:

• Район строительства Санкт Петербург; жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения – 400 мм;
• Общественные здания, кроме указанных выше, а также административные и бытовые здания промпредприятий – 350 мм;
• Район строительства Мурманск; жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения – 480 мм;
• Общественные, административные и бытовые здания – 410 мм.

Приведенные данные подтверждают конкурентоспособность и целесообразность широкого использования предлагаемой автором конструкции стеновых ограждений практически для всех видов зданий жилого, общественного и производственного назначения в климатических условиях Северо-Запада и центра России.

По вопросу использования аналогичных конструкций с прочными несущими слоями ячеистого бетона и легким теплозащитным слоем из того же материала плотностью 200–300 кг/куб. м.

По нашему мнению, здесь необходимы дополнительные технико-экономические обоснования эффективности такого решения, поскольку для соблюдения нормативных требований по приведенному сопротивлению теплопередаче (которые для покрытий и чердачных перекрытий значительно выше чем для стен) необходимо практически во всех случаях применения этих конструкций вводить дополнительно теплоизоляционный слой значительной толщины, 300–350 мм.

В этих условиях предлагаемое в статье решение не представляется очевидным в сравнении с традиционной конструкцией, включающей несущие железобетонные ребристые или пустотные плиты, пароизоляционный слой и утеплитель, который может в числе прочих теплоизоляционных материалов состоять из плит легкого ячеистого бетона.

С учетом приведенных соображений следует признать весьма актуальной дальнейшую проработку на стадии обоснований инвестиций или технико-экономических обоснований, которая определит:

• детали технологического процесса изготовления панелей из ячеистого бетона с переменной прочностью и плотностью;
• необходимую для этого производственную базу;
• потребности региона в предлагаемых изделиях;
• стоимостные показатели;
• конкретные рекомендации по толщине и плотности панелей для различных условий их применения.

Начальник проектного отдела
АОЗТ «Ленинградский Промстройпроект»,
инж. Эдмунд Абрамович

В домостроительной практике СССР при проектировании несущих и ограждающих конструкций промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий большое распространение приобрели стеновые панели из бетонов на искусственных пористых заполнителях (керамзитобетон, шлакопемзобетон, керамзитопенобетон и др.). Плотность таких бетонов составляет 800–1600 кг/куб. м.

Однако после введения в 1998 г. новых теплотехнических норм требования к сбережению тепла значительно ужесточились (СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника»). Вследствие этого железобетонные заводы, выпускающие изделия из бетона на пористых заполнителях, практически прекратили производство продукции, которая оказалась никому не нужной.

Другое дело конструкции из ячеистых бетонов (пенобетон, газобетон и др.), плотность которых составляет 300–900 кг/куб. м. Такой материал – мечта для каждого строителя-проектировщика. Однако при проектировании и производстве работ с применением конструкций из ячеистого бетона «мечтателей» останавливают следующие, сводящие на нет заманчивую плотность указанного материала, факторы:

• Особые требования, предъявляемые к конструкциям из ячеистого бетона в зонах с повышенной сейсмичностью, районах Крайнего Севера, на территориях с вечномерзлым грунтом, а также в зданиях, предназначенных для эксплуатации в условиях систематического воздействия повышенной температуры и влажности;
• Отсутствие отработанной технологии производства работ по изготовлению таких бетонов;
• Низкие прочностные характеристики ячеистых бетонов, не позволяющие надежно анкеровать арматуру при устройстве закладных деталей;
• Необходимость защиты от атмосферных осадков специальными поризированными растворами либо облицовкой листовыми материалами с устройством воздушной прослойки;
• Невозможность складирования агрессивных к ячеистым бетонам химических удобрений, навоза, мокрых опилок возле стен, возведенных из него;

В выше опубликованной статье приводится принципиально новый подход к технологии производства изделий из ячеистого бетона, позволяющий освободиться от ряда негативных факторов, присущих этому виду бетона.

Однако из материалов статьи непонятно, возможно ли применение конструкций из таких ячеистых бетонов в экстремальных природных и производственных условиях, не обосновывается соблюдение стабильности технологического режима изготовления деталей из ячеистого бетона, не отражен способ твердения изделий. И, что самое главное, не приводится сравнительно-экономический анализ конструкций из такого рода ячеистого бетона с конструкциями из традиционных строительных материалов.

ТЭО позволит регламентировать рациональную область применения конструкций из предлагаемого типа бетона. Данный фактор является немаловажным, т. к. в настоящее время большое распространение получил целый ряд сравнительно недорогих многослойных конструкций.

Марина ВАСИЛЬЕВА,
зав. группой АОЗТ «Ленпромстройпроект».

Предложенные доктором технических наук А. Н. Черновым материалы – газобетон и пенобетон с вариатропным строением – являются уникальными как для малоэтажного, так и для многоэтажного строительства, поскольку позволяют уменьшить толщину наружных стен, расход материалов на звукоизоляцию, а также увеличить теплоизоляционные характеристики стеновых ограждений, перекрытий и покрытий.

Это, в свою очередь, дает возможность резко сократить нагрузки на фундаменты зданий и уменьшить их стоимость. Предложенные материалы являются более технологичными для производства стеновых панелей, так как позволяют уменьшить количество циклов при их изготовлении.

Однако настоящая публикация не отвечает на следующие вопросы:

• Какова себестоимость вариатропных стеновых газо- и пенобетонных панелей в сравнении с железобетонными?
• Возможно ли изготовление вариатропных изделий в существующей оснастке для производства стеновых панелей и плит перекрытия?
• Какова ориентировочная стоимость строительства нового завода, в том числе оборудования для изготовления вариатропных материалов?
• Какова примерная стоимость переоборудования существующих заводов по изготовлению керамзитобетонных или трехслойных панелей на изготовление вариатропных панелей?

Ответы на поставленные вопросы дадут основание для рассмотрения возможности привлечения серьезных инвестиций для внедрения описанной в статье технологии.

Главный инженер
ООО «Строительное управление 239»
Курьян В. Я.

Поднятая автором тема повышения теплоэффективности ограждающих конструкций зданий необычайно важна. Согласно проведенным исследованиям, до 40% потерь уже доставленного в дома тепла (не меньше 15% от подаваемого тепла теряется еще по дороге, в теплосетях) происходит как раз через ограждающие конструкции. А учитывая то, что в России на отопление существующих зданий и сооружений тратится не менее 1/5 всех энергоресурсов, суммарная цифра потерь становится нетерпимой.

Для обеспечения реализации постановления № 18-81 Минстроя РФ, согласно которому были внесены изменения в СНиП II-3-79, касающиеся повышения требуемого термического сопротивления ограждений зданий, необходим переход к применению материалов, обладающих более высоким сопротивлением теплопередаче. В противном случае, как справедливо замечает автор, придется возводить крепостные стены, и не из соображений обеспечения прочности и безопасности, а только для защиты от теперь уже оказавшихся «вне закона» теплопотерь.

Не вызывает сомнений положение о необходимости более широкого применения ячеистых бетонов. Действительно, в обладающих сходными с европейской частью России температурными условиями скандинавских странах он занимает лидирующие позиции (да и в США и Германии его доля составляет не менее 30%). В РФ эта доля не превышает 6%.

Достоинства ячеистого бетона не только в его лучших по сравнению с кирпичом или тяжелыми бетонами теплофизических качествах, но и возможности снижения трудоемкости и транспортных затрат. Так, один стандартный блок 20х25х60 см из ячеистого бетона марки 600, веся всего 18 кг, способен заменить в ограждающей конструкции 20 кирпичей весом около 80 кг. А это дает возможность вести строительство высокими темпами, не прибегая к помощи подъемно-транспортных механизмов. К дополнительным достоинствам можно отнести огнестойкость и высокое эвукопоглощение.

Вызывает некоторые сомнения справедливость замечания относительно того, что «отказ от дополнительной теплоизоляции (за счет увеличения толщины ячеистобетонных плит) дает дополнительные преимущества: не надо изготавливать или приобретать теплоизоляционный материал, транспортировать его,..».

Проведенные в целом ряде научных центров подсчеты показали, что это не совсем так. По расчетам АО «Теплопроект» (г. Москва), для реализации заданного изменениями в СНиПе увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций в 3,5 раза (если принять объем ежегодно вводимого жилья 90 млн кв. м) потребность в керамическом кирпиче составит 276 млн т, на производство которого придется затратить 22,4 млн т условного топлива. Если заменить весь кирпич ячеистым бетоном, то условного топлива на его производство потребуется даже несколько больше – 22,8 млн т. Тогда как для используемых в качестве дополнительной теплоизоляции минеральной ваты и пенопласта потребуется всего 560 тыс. т материала/760 тыс. т условного топлива и 380 тыс. т/440 тыс. т, соответственно. Так что если рассматривать эту проблему в общегосударственном масштабе, дополнительная теплоизоляция из минераловолокнистых или органических материалов обойдется все-таки дешевле.

Данное замечание нисколько не умаляет достоинств статьи ни по сути, ни по форме. Она написана хорошим языком, что делает доступным понимание сути вопроса даже неспециалисту. Профессионалу же для более конкретного суждения необходимо детальнее ознакомиться с предлагаемой технологией и используемым оборудованием, чтобы в полной мере оценить не только техническую, но и, что сегодня особенно важно, экономическую сторону проблемы. Полезным было бы и ознакомление с методикой расчетов, результаты которых приведены в таблицах.

Но в любом случае для строителей и производителей строительных материалов представленная информация окажется полезной как с теоретической, так и, надо надеяться, с практической точки зрения.

Андрей ПЕТРОВ,
обозреватель издательства «НОРМА»