|
Текст
Легкие бетоны - как средство решения проблемы энергоресурсосбережения при строительстве и эксплуатации зданий, а также повышения их надежности и безопасности.
Анализ современных тенденций в мировой практике строительства показывает, что при проектировании и возведении зданий нового поколения в ближайшие десятилетия специалисты будут стремиться к тому, чтобы собственный вес здания был минимальным. Это особенно актуально для городов-мегаполисов, где существует острый дефицит земельных площадей, и строители вынуждены возводить здания большой этажности; основания же од ними зачастую ослаблены различными инженерными коммуникациями.
Целесообразно снижение веса сооружения и при строительстве в сейсмически опасных регионах: здесь степень вибрационного воздействия на каркас здания напрямую связана с его массой. Важно максимально снизить вес здания и в регионах с подрабатываемыми различными горными выработками территориями (например, угольными шахтами), а также в регионах с деградирующей печной мерзлотой. Практически в любых условиях строительства снижение веса проектируемого здания позволяет экономить арматуру и бетон за счет снижения нагрузок на фундаменты и несущие конструкции.
Уровень тепловой защиты здания должен быть максимально возможным, а уровень энергопотребления - соответственно, минимальным. Нормируемые параметры тепловой защиты зданий и их энергетическая эффективность установлены в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». Здесь дана классификация зданий по степени отклонения расчетных или измеренных нормализованных значений удельных расходов тепловой энергии на их отопление от нормируемого значения: классы А и В энергетической эффективности зданий - соответственно очень высокий и высокий, С - нормальный. Классы А и В устанавливают для вновь возводимых и реконструируемых зданий на стадии разработки проекта и впоследствии их уточняют по результатам эксплуатации. При выявлении объектов классов А и В органам местного самоуправления или инвесторам рекомендуется принимать меры для экономического стимулирования участников проектирования и строительства. Так, например, распоряжением первого заместителя мэра в правительстве г. Москвы В.И. Ресина № 46 от 12.05.2005 г. утверждено «Положение о стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции». Немаловажна в дополнение к требованиям СНиП 23-02-2003 надежность обеспечения уровня тепловой защиты здания на весь период расчетного срока его эксплуатации.
Должны быть обеспечены требуемые современными нормами высокие предел огнестойкости конструкций и пожаробезопасность здания.
В конструкциях зданий должны применяться экологически безопасные, низко энергоемкие строительные материалы, изготавливаемые по малозатратным технологиям на базе преимущественного использования продуктов переработки техногенных отходов и/или местных природных сырьевых ресурсов.
Конструкции должны быть максимально экономичными: несущие конструкции - по сечениям, расходу арматуры и цемента, а ограждающие конструкции - по толщине в целом и по расходу дорогостоящих утеплителей. Кроме того, конструкции должны обладать высокой долговечностью и быть ремонтопригодными.
Анализ многочисленных результатов отечественных и зарубежных исследований, а также практический опыт строительства последних лет показывают, что проблема проектирования и строительства энергоэффективных зданий нового поколения, конструктивная часть которых соответствует комплексу перечисленных выше требований, может быть в значительной степени решена путем использования во всех строительных конструкциях зданий (и в ограждающих, и в несущих) таких универсальных по своей природе и основным строительно-техническим свойствам материалов, как модифицированные легкие бетоны на пористых заполнителях.
Такие бетоны различных видов и назначения (от особо легких теплоизоляционных до конструкционных высокопрочных, в том числе высокой морозостойкости, водонепроницаемости, огнестойкости или жаростойкости) разработаны в последнее время и всесторонне исследованы в НИИЖБ с участием НИИСФ. Наиболее изученные и эффективные их виды успешно применяются в настоящее время проектировщиками и строителями в большинстве регионов России.
К числу современных высокоэффективных легких бетонов относится модифицированный полистиролбетон (МПСБ) на различных вяжущих, в том числе на низкотеплопроводных и низкосорбционноактивных малоклинкерных. Последние разработаны НИИЖБ как новый класс низкоэнергоемких композиционных вяжущих, в частности, на базе продуктов переработки металлургических шлаков и шламов различных видов.
Однослойные ненесущие стены в виде кладки из блоков и армированных перемычек, изготовленные из МПСБ, применимы для зданий, строящихся в регионах, имеющих до 8000 градусосуток отопительного периода (т.е., для подавляющего большинства регионов России) при толщине блока 30-40 см.
В сравнении с применяемыми в настоящее время в России для производства стеновых блоков традиционными ячеистыми бетонами (безавтоклавный пенобетон с γ0 -600-700 кг/м3, автоклавный газосиликат - 450-550 кг/м3) МЛСБ стеновой системы «Теплолит» имеет следующие основные преимущества:
- минимально возможная плотность при требуемой достаточной для блоков самонесущих стен прочности меньше по сравнению с пенобетоном в 2,0-2,4 раза, а по сравнению с газосиликатом -в 1,6-1,8 раза;
- сорбционная (равновесная влажность) меньше в 2,0-3,4 раза, величина коэффициента теплопроводности для условия «Б» по СНиП 23-02-2003 (λg) - в 2,5-2,8 раза; усадка меньше в 2,0-2,5 раза, морозостойкость выше в 2-3 раза;
- стоимость 1 м3 стеновой кладки из МПСБ за счет выигрыша в теплофизических характеристиках меньше на 30-50% (в зависимости от вида применяемого вяжущего).
Еще более теплотехнически эффективен для применения в наружных стенах монолитный патстиролбетон с высокопоризованной и пластифицированной матрицей (МПВМ). Это обусловлено:
- меньшей возможной плотностью МПВМ (марки D150-D250 против D300-D350 у МПСБ стеновых элементов), т.к. в данном случае не требуется регламентирование прочности монолитной теплоизоляции;
- отсутствием швов из относительно высокотеплопроводного (λБ = 0,87-0,93 Вт/м°С) цементно-песчаного раствора в стеновой кладке, которые уменьшают до 35% (в зависимости от толщины шва) сопротивление теплопередаче стены.
МПВМ успешно применяется не только для самонесущих наружных стен каркасных зданий. Весьма эффективен этот материал для утепления Плит покрытий, чердачных перекрытий и перекрытий над техподпольями.
Возводимые в несъемной опалубке с применением монолитного полистиролбетона тpexслойные стены представляются значительно более эффективными по сравнению с традиционными трехслойными железобетонными стеновыми панелями с плитным утеплителем из пенополистирола или минеральной ваты и межслоевыми связями различных видов. Обусловлены эти преимущества главным образом тем, что в сравнении с указанными традиционными утеплителями МПВМ при достаточно близких значениях теплопроводности (с учетом фактора срока эксплуатации) отличается:
- повышенной в 2,0-3,0 раза долговечностью и надежностью в эксплуатации;
- повышенной на 30-50 % обеспеченностью теплофизических свойств во времени (расчетный срок 100 лет);
- повышенной огнестойкостью и экологической чистотой;
- существенно более низкой (в 2,0-2,5 раза) стоимостью.
К этому следует добавить, что трехслойные стены с использованием МПВМ обладают существенными преимуществами по теплоустойчивости; более благоприятные условия влагомассопереноса через конструкцию исключают накопление влаги между слоями и обеспечивают более комфортные условия внутри помещения. Стены с таким решением применимы для любого климатического района России при приемлемых толщинах (от 30 до 60 см с учетом несъемной опалубки).
Разработаны и успешно апробированы в практике современного строительства и конструкционные легкие бетоны со структурой, модифицированной комплексом различных химических и минеральных добавок. Такие бетоны изготовляются, в том числе, на низкоэнергоемких заполнителях с аморфизированной структурой на базе продуктов переработки техногенных отходов по экологически чистым технологиям. При достаточно высокой для элементов монолитных несущих каркасов прочности (до 50 МПа включительно при γo 1800-1900 кг/м3, в зависимости от вида заполнителя), при высокоподвижных (ОК= 20-25 см), практически самоуплотняющихся смесях они характеризуются меньшим в 2,0-2,5 раза коэффициентом теплопроводности, чем равнопрочный тяжелый бетон на природных плотных заполнителях.
В связи с изложенным представляется перспективной следующая конструктивно-технологическая система энергоэффективного здания: несущий каркас выполняется монолитным или сборно-монолитным из высокопрочных легких бетонов классов до В50 включительно на базе низкоэнергоемких и низкотеплопроводных и в то же время достаточно прочных пористых заполнителей, а наружные стены - самонесущими в пределах этажа из особо легких бетонов преимущественно на низкоэнергоемких композиционных вяжущих (монолитные в несъемной опалубке или в виде кладки из блоков и армированных перемычек).
Расчеты (прочностные в комплексе с теплотехническими) показывают, что, заменяя тяжелый бетон в несущих конструкциях, выходящих за «теплые стены» зданий, на равнопрочный и низко теплопроводный легкий, можно существенно выиграть не только в снижении массы здания (до 30%), но и в повышении теплотехнической однородности ограждения. Последнее способствует либо сокращению расчетной толщины наружной стены от 10 до 20%, либо при сохранении толщины - снижению энергозатрат на отопление здании, т.е. повышению его энергоэффективности. Снижение же массы здания позволяет сократить на 10-15% расход арматуры и бетона в его несущих конструкциях.
|
|
|
Рис. 1. Строительство жилого здания с монолитным несущим каркасом из легких бетонов на портстом шлаковом гравии НЛМК и наружными стенами с монолитной теплоизоляцией из полистиролбетона (г. Воронеж, 2004)
|
Примерами зданий, в которых достигнут - при значительном снижении массы и минимальных материальных затратах на строительство - высокий уровень тепловой защиты, являются строящиеся в последние 2-3 года каркасные жилые здания в Воронеже (объекты ООО «Воронежстроймонолита, см. рис. 1). Здесь наружные стены возводятся трехслойными с монолитной теплоизоляцией из полистиролбетона марки D200 в несъемной опалубке различных видов, а элементы монолитного несущего каркаса выполняются из легких бетонов классов по прочности на сжатие до В40 включительно. В данном случае применены высокоподвижные смеси на пористом шлаковом гравии (ПШГ) Новолипецкого металлургического комбината. ПШГ со стекловидной оболочкой, технология производства которого разработана НИИЖБ и Уральским институтом черных металлов, характеризуется на порядок меньшими энергозатратами на производство и меньшей в 3-5 раз себестоимостью по сравнению с лучшими видами керамзита, в т.ч. высокопрочного, и при этом не уступает им по основным строительно-техническим свойствам.
Следует отметить, что при замене тяжелого бетона в несущих конструкциях на равнопрочный легкий существенно повышается огнестойкость конструкций. Это показывают результаты исследований, выполненных во многих странах. Обусловлен данный эффект прежде всего существенно меньшей разницей в коэффициентах линейного температурного расширения (КЛТР) основных компонентов легкого бетона (заполнителя и цементного камня) по сравнению с разницей в величинах КЛТР компонентов тяжелого бетона и, кроме того, существенно меньшей теплопроводностью первого.
Весьма характерно, что проектировщики в зарубежных странах при выборе легкого бетона для несущих конструкций во многом руководствуются не только снижением массы конструкций, но и вопросами безопасности при пожаре. В последнее время при строительстве высотных зданий за рубежом все большее применение в несущих конструкциях находят легкие бетоны, в том числе высокопрочные.
Характерным примером возведения высотного здания с несущими конструкциями из легких бетонов является построенное в 1992 г. 66-этажное здание Национального банка в США, штат Северная Каролина. Здесь монолитные перекрытия выполнены из легкого бетона на пористых заполнителях из вспученных сланцев (Solite LWA) прочностью на сжатие 47 МПа при γ0 — 1890 кг/м3. Применялись специальные не расслаивающиеся при технологических переделах высокоподвижные легкобетонные смеси, подаваемые бетононасосами на высоту 252 м.
Следует отметить, что конструкционный легкий бетон становится объектом широкого международного сотрудничества. Свидетельство тому - разработка целевой группой TG 8.1 Международной федерации по бетону и железобетону (fib) при участии НИИЖБ нормативного документа по конструкционному легкому бетону - "Lightweight Aggregate Concrete. Codes and Stan-darts», Lausanne, Switzerland, 1999. В этом документе нормируются прочностные и деформативные характеристики легкого бетона класса по прочности на сжатие до BS0 включительно.
Вышеизложенная концепция формирования конструктивной системы зданий нового поколения, в том числе высокоэнергоэффсктивных, и принципиальные технологические основы се реализации, разработанные НИИЖБ при участии НИИСФ, ФГУП КБ им. А.А. Якушева и МНИИТЭП, были доложены и одобрены 26 ноября 2003 г. на заседании секции «Научные исследования» Научно-технического совета Госстроя России. В решении отмечена целесообразность разработки вышеназванными организациями рекомендаций, но проектированию энергосберегающих многоэтажных жилых и общественных зданий с комплексным использованием легких бетонов в несущих и ограждающих конструкциях. Такие рекомендации частично вошли в приложение 6.3 к разделу «Конструкции надземной части» проекта МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы».
А.И. Звездов, д.т.н., президент ассоциации "Железобетон"
В.Н. Ярмаковский, к.т.н., зав. лабораторией НИИЖБ
|
ТТК на полы 
16 (203)/2005
06.09.2005
