Песчаный бетон – строительный материал россии xxi века

Использование песчаного бетона и отказ от использования щебня в бетонной смеси являются ключевыми задачами для производителей железобетона в России, где транспортировка большого количества заполнителя достигает 80 миллиардов тонно-километров в год. Статья описывает множество возможностей использования песчаного бетона в жилищном, дорожном и специальном строительстве.

Большая часть европейской территории России, Москва и Московская область, Поволжье, Вологда и Тюмень вообще не имеют месторождений крупного заполнителя или имеют месторождения осадочных пород, ограничено пригодных для использования в железобетоне.

Добыча камня и переработка его на щебень требуют серьезных затрат электроэнергии и большого количества рабочих. Объем перевозок щебня, потребность в котором для производства железобетонных изделий по РФ не ниже 140 миллионов м3, составляет около 80 миллиардов тонно-километров в год. Существенен и экологический аспект проблемы использования щебня: печать неоднократно выступала против варварского разрушения гор при его добыче, уже приведшего к необратимым климатическим изменениям на Северном Кавказе, в Поволжье, Карелии.

Гораздо проще использовать на стройках и заводах сборного железобетона песок, который является, как правило, местным строительным материалом. Песчаный бетон стал предметом систематических исследований в СССР с середины 50-х годов. Это было связано с организацией производства железобетона в регионах, где отсутствуют месторождения крупного заполнителя. По мере распространения песчаного бетона в практике строительства, выявлялись особенности материала, требования к заполнителю, вяжущим и добавкам, а также технологии приготовления, уплотнения и термообработки.

Выяснилось, что использование песчаного бетона вместо бетона на щебне не только повышает экономическую эффективность строительства, но и обеспечивает ряд других преимуществ из-за упрощения технологии приготовления бетонной смеси и отказа от необходимости организации складского и сортировочного хозяйств для приемки, переработки и хранения щебня.

Песчаный бетон, как правило, обладает более высокими физико-механическими характеристиками в границах марки, по сравнению с бетоном на крупном заполнителе, и большей долговечностью. Это позволяет снизить материалоемкость конструкций и повысить их эксплуатационную надежность. Кроме того, возможно использование технологических приемов, неприемлемых для крупнозернистых бетонов. Поэтому в тех районах, где щебень привозной, стоимость изделий из песчаного бетона может быть ниже на 25 и более процентов.

Основными недостатками песчаных бетонов являются повышенный расход цемента, более высокая деформативность под воздействием нагрузок, а также необходимость более тщательного соблюдения технологии производства.

До начала 70-х годов песчаный бетон использовался, в основном, для изготовления малоразмерных неармированных изделий. Сказывались отсутствие нормативной базы, определенное недоверие к материалу со стороны проектировщиков и практиков, а также существовавшая в те годы система фондирования и жесткого нормирования расхода цемента.

Два основных направления изготовления конструкций из песчаного бетона получили наибольшее распространение в практике заводов сборного железобетона: вибропрессование (для мелкоштучных, преимущественно неармированных, изделий) и формование на стандартных или специальных виброплощадках (для крупноразмерных железобетонных конструкций). Большинство мелкоштучных изделий из песчаного бетона – бортовые камни для магистралей и внутриквартальных проездов, тротуарные плиты и фигурные элементы мощения, плиты для покрытий трамвайных путей, полов промышленных зданий, облицовки стен и цоколей – изготавливаются на автоматизированных линиях, оснащенных отечественным вибропрессующим оборудованием. Суммарная мощность этих линий в РФ превышает 500 тысяч м3 изделий в год.

Впервые созданные в стране технология и оборудование для производства мелкоштучных изделий позволили применять особо и сверхжесткие цементно-песчаные смеси, уплотняемые методом объемного вибропрессования, что обеспечивает их долговечность.

Так, комплексная проверка качества вибропрессованных бортовых камней из песчаного бетона, находившихся в эксплуатации 26 лет (Москва, Ленинский проспект) подтвердила, что эти изделия не имеют следов разрушения, в то время как бортовые камни из тяжелого крупнозернистого бетона, изготавливаемые по традиционной технологии с уплотнением бетонных смесей на виброплощадке, разрушались через 2–3 года от размораживания.

Благодаря исследованиям последних лет номенклатура изделий, изготавливаемых вибропрессованием, значительно расширилась, в перую очередь, за счет изделий для малоэтажного жилищного строительства и благоустройства территорий.

Разработана система малоэтажного строительства из мелкоштучных изделий, основная номенклатура которых включает: блоки фундаментов, наружных стен (термоблоки), перегородок, перекрытий; изделия для кровли (черепицу), а также балки перекрытий, перемычки, ступени. При их изготовлении в качестве базовой технологии используется вибропрессование, а в качестве единственного заполнителя – песок, наиболее дешевый местный материал.

Особенностью вибропрессования является не только изготовление изделий без форм, но и то, что в производстве можно использовать песок карьерный (речной песок), в том числе мелкий и загрязненный, без предварительной его переработки (мойки, фракционирования, сушки). Применение ограниченной унифицированной номенклатуры мелкоштучных изделий обеспечивает возможность ручного монтажа зданий.

В состав комплекта изделий включены элементы благоустройства территории – ограды, плиты для дорожек, стоянок автомобилей и отделки зданий – на основе тех же базовых материалов. Организация производства полной номенклатуры мелкоштучных изделий возможна в условиях малого предприятия, т. к. характеризуется низкой капиталоемкостью и быстрой окупаемостью, в первую очередь, в результате использования дешевых песчаных бетонов с различной степенью поризации:
– особо плотных вибропрессованных (черепица, элементы благоустройства, оболочка термоблока);
– вибропрессованных из тощих смесей с воздухововлечением до 10% (блоки внутренних стен, фундаментов, перегородок, перекрытий);
– изготавливаемых из умеренно жестких смесей, формуемых на виброплощадке (балки перекрытий, перемычки, ступени);
– изготавливаемых из пенобетона с воздухововлечением до 95% (плитный утеплитель, заполнение термоблока).

Песок – единственный заполнитель в песчаном бетоне, наиболее дешевый и повсеместно распространенный строительный материал, стоимость которого для большинства регионов России в 2–3 раза ниже стоимости щебня твердых пород и в 6–8 раз ниже стоимости керамзитового гравия.

Для реализации предлагаемой системы строительства разработан ряд новых технических решений, по которым получены патенты РФ. Одной из таких разработок является стеновой элемент – термоблок (патент № 2030527).

Необходимость обеспечения теплозащитных свойств стен в соответствии с требованиями нового СНиП делает экономически нецелесообразным их возведение из традиционных штучных материалов – кирпича, керамзитобетона – или из ячеистого бетона.

Термоблок – это стеновой блок со стандартными габаритными размерами 390х190х188 мм, который включает оболочку из высокопрочного песчаного бетона и заполнение минерализованной цементом пеной объемной массой 150 кг/м3. Оболочка изготавливается вибропрессованием и немедленно (на следующем же технологическом посту) заполняется минерализованной пеной. В результате получается блок с несущей способностью (позволяющей использовать его как в малоэтажном, так и в многоэтажном строительстве), с высокими теплозащитными свойствами и стоимостью ниже любых выпускаемых в настоящее время стеновых материалов.

Использование термоблоков вместо традиционных стеновых материалов существенно снижает себестоимость жилищного строительства, в том числе из-за толщины стен, составляющей 38 см для большей части территории России. Применение песчаного бетона в качестве базового материала для всех изделий в здании, использование вибропрессования как базовой технологии, отсутствие арматуры в подавляющем большинстве изделий и необходимости в наружной отделке – все это делает предлагаемую систему строительства наиболее дешевой из всех, известных в отечественной и зарубежной практике.

Себестоимость 1 м2 здания (без работ по внутренней отделке и коммуникациям) составляет 80–100 долларов США, что значительно ниже, чем предлагается отечественными и зарубежными фирмами. А возможность выполнить строительство дома собственными силами застройщиков без крана может еще существенно снизить эту невысокую стоимость.

Исследовательские работы, опыт проектирования и практика изготовления показывают, что для большинства регионов полезно даже простое исключение щебня из состава бетонной смеси, но гораздо больший эффект достигается при проектировании конструкций с учетом особенностей свойств песчаного бетона, технологии его изготовления, а также при правильном выборе заполнителей, химдобавок, вяжущих.

Разработаны методы, позволяющие производить конструкции из песчаного бетона на стандартном оборудовании практически без перерасхода цемента. Исследовательские работы последних лет существенно расширили знания о песчаных бетонах. Разработаны и определены:

– принципы классификации песчаных бетонов – разделения их на группы, определены физико-механические характеристики материала внутри каждой группы;
– способ проектирования состава бетона, имеющий характер алгоритма – набора формализованных операций, выполнение которых однозначно приводит к получению оптимального результата;
– новый класс песчаных бетонов – конструкционные бетоны, изготавливаемые из тощих смесей;
– закономерности использования песков-заполнителей в песчаном бетоне, причем разработанный расчетный аппарат позволяет не только оценить качество песка по его гранулометрическому составу, но и определить целесообразность использования и оптимальный гранулометрический состав фракционированного песка;
– особенности работы песчаного бетона с арматурой, что позволяет изготовление крупноразмерных железобетонных конструкций;
– особенности технологических режимов производства изделий;
– методы, дающие возможность изготавливать вибропрессованием железобетонные мелкоштучные изделия.

Практика использования песчаного бетона позволила определить следующие основные области применения материала в промышленности сборного железобетона:

– в дорожном строительстве (плиты покрытий, бортовой камень, тротуарные плиты, фигурные элементы мощения, плиты для трамвайных путей);
– для конструкций, работающих преимущественно на сжатие (блоки, колонны);
– для конструкций, предельное состояние которых определяется возникновением или раскрытием трещин (трубы);
– в тонкостенных конструкциях, габариты либо отдельные размеры которых зависят от величины зерна крупного заполнителя (панели перекрытий, сваи);
– в конструкциях, где отпускная прочность равна проектной;
– для конструкций, связанных с работой в агрессивных средах, в условиях высоких и низких температур.

Все более широкое применение находит использование песчаных бетонов в производстве отделочных материалов. Долговечность изделий, великолепный внешний вид, простота и дешевизна изготовления делают чрезвычайно перспективной эту область применения материала.

Действительно, для изготовления плитных отделочных материалов в технологической линии производства, например, тротуарных плит, достаточно небольших изменений в оснастке для того, чтобы выпускать рельефные плиты, плиты с бугристой фактурой или фактурой «шагрень». Появившиеся в последние годы высококачественные пигменты для бетонов дают возможность получать изделия ярких, сочных тонов. Отечественное формующее оборудование позволяет не только вводить пигменты в массу бетона, но и получать цветной фактурный слой.

Весьма эффектно смотрится «колотая» фактура песчаного бетона, когда затвердевшие плиты (блоки) раскалываются на колочной машине. Фактура «колотых» плит может быть неотличима от натурального гранита, известняка.

Вышеперечисленные приемы отделки могут быть использованы и при изготовлении блоков для стен или цоколей, что исключает необходимость дополнительной отделки зданий. Очень красиво выглядят шлифованные плиты из песчаного бетона. Обычно производится двустадийное шлифование, сопровождающееся обрезкой кромок на недорогом отечественном оборудовании.

Специалистами разработана технология нанесения фактурных слоев из песчаного бетона с наполнителями на затвердевшую поверхность плит. Испытания, проведенные в климатической камере, показали высокую адгезию фактурного слоя. В последнее время все шире распространяется производство мелкоштучных изделий для дорожного строительства (преимущественно фигурных тротуарных плит) в одиночных пластмассовых формах. Требуемая удобоукладываемость бетонных смесей, уплотняемых обычно на стандартной виброплощадке, достигается благодаря использованию пластификаторов (преимущественно С-З) или вяжущих низкой водопотребности. Несмотря на необходимость проведения тепловлажностной обработки плит, большую стоимость бетонной смеси и более высокие трудозатраты по сравнению с вибропрессованием, эта технология получила распространение из-за небольших первоначальных инвестиций в организацию производства и привлекательного внешнего вида изделий.

В целом, квалифицированно проведенная работа по переводу производства с крупнозернистого бетона на песчаный позволяет получить экономический эффект, особенно значимый в регионах, где велика разница в стоимости песка и щебня.

Существующий уровень научно-исследовательских работ в области песчаных бетонов и практика использования материала заставляют говорить о том, что область его применения должна оцениваться единственным критерием – экономической целесообразностью. И в этом случае песчаный бетон рано или поздно станет основным строительным материалом России XXI века.