Мы живем в эпоху все нарастающего экологического кризиса. Длительное нарушение равновесия в природе заставило человечество осознать, что, будучи очевидным, долго ускользало от его внимания: все живые организмы, населяющие нашу планету Земля, существуют не сами по себе, а зависят от окружающей среды и испытывают ее воздействие.
Следует признать, что в области защиты окружающей среды мы продвинулись несколько дальше, чем 50 лет тому назад. Предусматривая новое строительство, стали осознавать, что всякое здание должно не только отвечать функциональным и эстетическим требованиям, но и не оказывать экологических последствий на окружающую среду. То, что мы строим сегодня, должно через поколения гармонично сочетаться с окружающей нас природой и не должно загрязнять ее.
Обычно экономическая долговечность жилья рассчитывается на 80 лет, а функциональная – составляет 40–50 лет. После окончания срока службы здания его сносят, и возникает вопрос утилизации отработанного материала с возможностью его переработки и вторичного использования, чтобы уменьшить добычу сырья для новых строительных материалов.
Сырье для производства строительных материалов должно быть широко распространенным и экологически чистым. Такими сырьевыми материалами в природе являются вода, песок, карбонатные породы и продукты из них – известь и цемент. Кроме того, для производства ячеистого бетона используются отходы: доменные и другие гранулированные шлаки, золы от сжигания горючих сланцев – как вяжущие материалы и зола-унос от сжигания каменного и бурого углей – как кремнезёмистый компонент. Расход сырьевых материалов на единицу готовой продукции должен быть сравнительно невелик, чтобы обеспечить минимальную материалоемкость производства. Энергоемкость производства самих строительных материалов должна быть минимальной, чтобы сократить добычу сырья для производства тепловой и электрической энергии, а также уменьшить выброс в атмосферу окисей углерода.
По данным Федерального союза производителей силикатного кирпича (Германия), при производстве 1 м3 ячеистого бетона общий расход энергии в среднем составляет 324,11 кВт⋅ч/м3. Из общего расхода энергии только 44 % относится непосредственно на процесс производства ячеистого бетона.
В сравнении с традиционными строительными материалами производство ячеистого бетона обладает самым низким расходом энергии, средний расход энергии на 1 м3 ячеистого бетона в 1,5 раза меньше, чем пустотелого силикатного кирпича и в 3 раза меньше, чем пустотелого керамического кирпича.
Проведенная в бытность СССР НИИ экономики строительства Госстроя СССР, НИПИсиликатобетон, ВНИИстром, ЦНИИЭПжилища огромная аналитическая работа по технико-экономической оценке различных строительных материалов показала, что конструкции из ячеистого бетона по показателям материалоемкости, энергоемкости, капиталоемкости и общей трудоемкости выгодно отличаются от традиционных стеновых материалов. Например, с учетом затрат на производство основных сырьевых и вспомогательных материалов общие затраты в производстве ячеистобетонных панелей на 20–25 % меньше, чем керамзитобетонных.
Энергоемкость производства (с учетом производства вяжущих и заполнителей) ячеистобетонных панелей по сравнению с керамзитобетонными меньше примерно в 2,0 раза, а энергозатраты при эксплуатации зданий из ячеистого бетона в течение нормального расчетного срока (12,5 лет) меньше примерно на 20 %. Энергоемкость производства ячеистобетонных стеновых блоков в 1,8–2,7 раза меньше, чем для производства керамических камней и глиняного кирпича, а расход тепловой энергии при эксплуатации таких зданий (в расчете на 1 м2 стены) меньше на 10–40 %. Применение блоков из ячеистого бетона в стенах зданий вместо кирпича сокращает в 1,4–2,0 раза трудоемкость строительства [1].
Следует отметить, что в СССР в 1991 году было выпущено 5,7 млн м3 конструкций из ячеистого бетона, в том числе армированных (панелей стеновых и плит покрытия) – 1,6 млн м3, а неармированных (крупные и мелкие блоки) – 2,6 млн м3 и плит теплоизоляционных – 1,5 млн м3 [2]. В БССР произведено 1,7 млн м3 в год, в том числе 0,34 млн м3 армированных панелей для жилых, общественных и промышленных зданий. Вся продукция изготавливалась по ударной технологии.
Армированные стеновые панели изготавливали применительно к полосовой схеме наружных стен зданий шириной 1,2–1,5 м и длиной 6,0–6,4 м, а к однорядной разрезке стен, т.е. высотой, равной высоте этажа (2,8 м), и длиной, равной одному или двум планировочным модулям (до 6,0 м), т.е. размером на «одно окно» или «на два окна». Эти панели являлись наиболее крупными и индустриальными, так как имели оконные и дверные проемы, заполненные столярными изделиями, т.е. высшую заводскую готовность.
Основной объем производства армированных изделий приходился на четыре комбината строительных материалов БССР и на 10 заводов поставки оборудования Польской Народной Республики. Заводы были рассчитаны на выпуск мелких стеновых блоков и теплоизоляционных плит из ячеистого бетона. В дальнейшем заводы были дополнены арматурными участками и укомплектованы новыми формами. Заводы выпускали армированные изделия (стеновые панели и плиты покрытия) для жилых, культурно-бытовых, промышленных и животноводческих зданий. Панели имели высокое качество заводской отделки и применялись в строительстве 9- и 16-этажных зданий.
Наряду с традиционными ячеистобетонными изделиями в СССР осуществлялось производство нового материала – силикальцита. Это тоже были в основном армированные изделия для жилых, промышленных и общественных зданий. Например, в г. Таллинне построено 11-этажное здание ЦК КП Эстонии с применением навесных газосиликальцитных панелей, изготовленных по дезинтеграторной технологии. Панели в заводских условиях облицованы доломитовыми плитами. На границе плиты и ячеистого бетона наносился латексно-минеральный слой, обладающий эластичностью, гидрофобностью и паропроницаемостью. Плиты на нагелях крепили к бетону.
В последние 20 лет производство автоклавного ячеистого бетона на постсоветском пространстве наиболее динамично развивающаяся отрасль строительных материалов. С рынка строительных материалов практически полностью вытеснен неавтоклавный пенобетон.
Резкое увеличение объемов выпуска вызвано высокой технико-экономической эффективностью производства и применения в строительстве ячеистобетонных изделий и конструкций.
По нашей оценке, в 2020 году общий объем годового производства ячеистого бетона в странах СНГ – в пределах 20–23 млн м3. Практически это только мелкие ячеистобетонные блоки, требующие значительных трудозатрат на возведение стен из этого материала. Трудоемкость в построечных условиях 1 м2 приведенной общей площади человеко-дней из панелей – 3,1, блоков – 4,43 [3].
Однако развитие рынка армированных изделий сдерживается в настоящий момент, как ни странно, самими производителями газобетона. По оценке НААГ России, «рынок очень медленно движется в сторону армированных изделий из газобетона в первую очередь из-за большой востребованности стеновых блоков» [4]. Сложившееся положение в определенной степени обусловлено массовым применением мелких блоков в коттеджном строительстве, а также растущими год от года объемами строительства монолитных и сборно-монолитных каркасных зданий с поэтажно опертыми наружными стенами и перегородками, сложной архитектурой, наличием фасадных поверхностей с криволинейными в плане очертаниями.
Высокие темпы строительства, сокращение периода освоения инвестиций – факторы, определяющие выбор конструктивных схем и систем зданий, а также конструкционных материалов. В свою очередь технические решения наружных ограждающих конструкций зданий, включая светопрозрачные заполнения, должны обеспечивать комфортные условия пребывания человека в помещениях при минимальном расходе невозобновляемых источников энергии.
При нехватке кадров строителей и в условиях жесткой экономии энергоресурсов для решения поставленных выше задач возможны следующие пути: замена наружных стен из мелких ячеистобетонных блоков на крупноразмерные стеновые панели; индустриализация строительства перегородок путем выпуска на заводах армированных панелей высотой на комнату; внедрение плит перекрытия и покрытия из ячеистого бетона с омоноличенными ригелями.
Основная и наиболее массовая область применения армированных изделий – гражданские здания малой и средней этажности со стеновой конструктивной схемой. Производство армированных изделий из ячеистого бетона, несомненно, является перспективным.
При строительстве таких домов не требуется использование техники с большой грузоподъемностью. Как показывает зарубежный опыт, монтаж полносборного дома из ячеистобетонных панелей, перемычек и плит перекрытий может осуществлять бригада из шести человек, включая машиниста автокрана. При этом затраты времени на монтаж 1 м3 изделий в среднем составляют 0,5 часа, что меньше трудозатрат при возведении кладки из ячеистобетонных блоков [5].
По данным WEHRHAHN, использование блоков, панелей и других модульных элементов из автоклавного газобетона позволяет строить дома в максимально сжатые сроки. Так, индивидуальный дом площадью 150 м2, включая внутренние перегородки, полы и кровельные покрытия, может быть смонтирован бригадой из трех человек всего за одну неделю [6].
По данным AIRCRETE, бригада из пяти человек монтирует «коробку» полносборного двухэтажного жилого дома из армированных, вертикально стоящих ячеистобетонных панелей, за 5–6 дней (10 рабочих часов в день).
Как уже отмечалось выше, по сравнению с трудозатратами при кладке стен из мелких блоков монтаж армированных изделий осуществляется с минимальными трудозатратами.
Перегородочные стеновые панели устанавливаются быстро (≈ 25–30 м2 в смену одним человеком), несущие стеновые панели при строительстве коммерческих и промышленных объектов монтируются в горизонтальном положении в бетонный/деревянный/стальной каркас со средним временем установки в ≈ 100 м2 в день бригадой из трех человек, а плиты перекрытий и покрытий широко используются в социальном и коммерческом многоэтажном строительстве со средней скоростью установки в ≈ 230 м2 в день [7].
С еще большей скоростью устанавливаются (монтируются) стеновые ячеистобетонные укрупненные (6,0х3,0х0,36 м) из исходных элементов панели. Бригада из четырех человек устанавливает за день 460 м2 стеновых панелей, укрупненных в заводских условиях [8].
На основании изложенного можно сделать следующие выводы.
Крупноразмерные ячеистобетонные изделия, в первую очередь стеновые элементы, несмотря на дополнительные затраты на монтаж механизированным способом, позволяют в несколько раз повысить производительность труда и соответственно темпы строительно-монтажных работ за счет значительного сокращения трудозатрат по устройству стен. При этом уменьшение количества стыковых соединений и протяженности швов способствует повышению эксплуатационных качеств несущих и ограждающих конструкций.
По предварительной оценке панели вертикальной разрезки, способствующие повышению несущей способности стен, позволяют возводить здания высотой до 7 этажей включительно при соответствующем решении узлов сопряжений несущих конструктивных элементов. При этом применение армированных панелей вертикальной разрезки за счет более высокой несущей способности по сравнению с кладкой расширяет область применения ячеистого бетона с позиций объемно-планировочных решений зданий различного назначения.
Использование ячеистобетонных плит перекрытий и покрытий позволяет применять современные системы теплоснабжения зданий с поквартирным регулированием расхода теплоносителя без дополнительного применения теплоизоляционных материалов. При этом устройство напольного отопления также не требует специальных мероприятий за счет хороших теплоизолирующих качеств ячеистого бетона. Ячеистобетонные плиты могут применяться как в зданиях с несущими стенами, так и в каркасных зданиях с несущим остовом из различных материалов.
Панели горизонтальной ленточной разрезки имеют самые широкие перспективы применения в современных каркасных зданиях, в том числе за счет увеличения полезной площади внутреннего пространства, неизбежно «съедаемой» поэтажно опертыми стенами.
Говоря об отделке наружных стен из ячеистого бетона, нельзя не упомянуть и о возможности крепления к нему несущих систем навесных фасадов. Несмотря на относительно небольшую механическую прочность, ячеистый бетон стеновых изделий за счет их сплошной структуры обладает достаточной анкерующей способностью, позволяющей удерживать не только комплексные и химические, но и механические распорные анкеры, воспринимающие циклические знакопеременные сдвиговые и выдергивающие усилия. При этом благодаря теплотехническим характеристикам ячеистого бетона теплопроводные включения в виде анкеров создают незначительное влияние на теплотехническую однородность наружного ограждения.
Как уже отмечалось выше, в СССР были разработаны конструкция и технология изготовления ячеистобетонных изделий, облицованных крупноразмерными архитектурно-защитными элементами плотного декоративного бетона.
Производство армированных изделий – литьевая или ударная технология
Поставщики оборудования заводов для производства ячеистого бетона фирмы МАSА и WEHRHAHN наряду с литьевой технологией предлагают и ударную технологию. Признавая применение ударной технологии при производстве неармированных изделий из ячеистого бетона, фирмы очень «осторожно» относятся к производству армированных изделий. Однако при производстве армированных и неармированных изделий из ячеистого бетона ударная технология имеет целый ряд преимуществ по сравнению с литьевой.
Ударная технология базируется на использовании явления колебаний смеси на основной собственной частоте, а также на эффекте тиксотропного разжижения смеси и восстановления вязкости в период между ударами, обеспечивая в конечном итоге высококачественную ячеистую структуру бетона.
Высокие показатели прочности и жесткости армированных изделий, при прочих равных условиях, обусловлены повышенным сцеплением арматуры с бетоном. Сцепление арматуры с бетоном составляет 35–40 % от прочности бетона при сжатии. При литьевой технологии, как правило, наблюдается неполное обволакивание смесью арматурных стержней, особенно в верхней зоне формуемого массива, обусловленное недостаточным гидростатическим давлением смеси. В конечном итоге вокруг арматуры, расположенной перпендикулярно направлению вспучивания смеси, образуются пустоты и так называемые «тени», которые и приводят к снижению сцепления арматуры с бетоном и уменьшению прочности и жесткости армированных изделий.
При производстве армированных изделий по литьевой технологии несколько меняется рецептура: повышается содержание воды в смеси, чтобы удлинить процесс предварительного созревания массива для предотвращения образования пустот по арматурным стержням. При вспучивании смесь поднимается к арматуре в верхней зоне массива в конце процесса формования. Вязкость смеси в этот период формования высокая и недостаточная для обволакивания арматуры, поэтому и образуются «тени».
При ударном формовании значения ускорения колебаний смеси находятся в пределах от 10 до 30 м/сек2, и перегрузки, складываясь с гидростатическим давлением, ликвидируют пустоты или «тени» вокруг арматурных стержней. На образование структуры бетона в околоарматурном пространстве оказывают влияние колебания системы (смесь, арматурные стержни и форма). Эти колебания имеют различную частоту, интенсивность и, главное, различную продолжительность. Из-за различных параметров колебаний элементов системы во время ударного формования ячеистобетонной смеси в околоарматурном пространстве образуется зона, в которой смесь находится постоянно в разжиженном состоянии. За счет этого обеспечивается плавный переход от практически плотного бетона у арматуры до ячеистой структуры основного бетона, причем толщина переходного слоя составляет 5–7 мм.
Кроме того, при формовании ячеистобетонных армированных массивов по литьевой технологии, особенно при повышенных значениях вязкости смеси, наблюдается так называемое «всплытие» арматуры (смещение арматурных стержней в направлении вспучивания смеси), несмотря на ее относительно жесткое фиксирование в форме специальными устройствами. Арматурный каркас смещается от требуемого положения в массиве, что вызывает дополнительное напряжение от упругих сил арматуры и отрицательно сказывается на прочности и жесткости армированных изделий. При ударном формовании всплытия арматурных каркасов не происходит.
Таким образом, производство армированных изделий по ударной технологии обладает рядом преимуществ по сравнению с литьевой.
Ярким примером 45-летнего успешного производства ячеистобетонных изделий по ударной технологии являются ОАО «Сморгоньсиликатобетон», ЗАО «Могилевский КСИ» и другие заводы, на которых неоднократно проводились Международные научно-практические конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения». Участники конференций воочию могли подробно ознакомиться с производством ячеистого бетона по ударной технологии, получить исчерпывающие ответы на вопросы от специалистов предприятий и устроителей конференций.
Отрадно отметить, что на Новоспасском заводе НОВОБЛОК ООО Силикат+» на линии Vario-Block фирмы МАSA Henke, выпускающей ячеистобетонные блоки по ударной технологии, в 2021 г. достигнута производительность 1237,5 м3/сутки при проектной – 1050 м3/сутки [9]. В дальнейшем с учетом возрастающих объемов производства ячеистобетонных блоков может быть существенно расширена номенклатура выпускаемых изделий, в том числе крупноразмерных армированных.
Введенная в ОАО «Сморгоньсиликатобетон» в 2005 году в промышленную эксплуатацию линия фирмы МАSA по производству ячеистобетонных блоков по ударной технологии рассчитана на производство неармированных изделий. Для строительства 40-квартирного экспериментального жилого дома в г. Сморгонь специалистами местного строительного треста, института «Гродногражданпроект» и ОАО «Сморгоньсиликатобетон» совместно был разработан проект. В проекте дома наружные стены выполнены длиной равной двум планировочным модулям здания [10].
Рис. 1. Панель на этаж 40-квартирного дома в г. Сморгонь
Специалисты ОАО «Сморгоньсиликатобетон» с участием автора статьи в кратчайшие сроки организовали производство ячеистобетонных панелей по ударной технологии, из которых дом на 40 квартир был быстро возведен. Кроме того, ОАО «Сморгоньсиликатобетон» изготовило армированные стеновые панели (6,0х1,5х0,45 м) по ударной технологии для строительства двух 9-этажных домов в г. Брест.
Таким образом, на заводах, на которых выпускаются мелкие ячеистобетонные блоки и установлены ударные площадки, можно без проблем организовать производство армированных изделий. Автор статьи и ударной технологии готов оказать помощь в организации такого производства.
Рис. 2. Форма с несущей рамой арматурных каркасов
К сожалению, ограниченный объем данной статьи не позволяет подробно рассказать о производстве армированных изделий по ударной технологии на вышеуказанном или других предприятиях.
Следует отметить, что рецептура ячеистобетонной смеси для изготовления как армированных изделий, так и блоков, идентична, и, естественно, никакого увеличения количества воды затворения не требуется, как это происходит в случае литьевой технологии [4].
Арматурные каркасы устанавливают в форму до заливки смеси, за счет динамических воздействий смесь разжижается, из-за низкой вязкости равномерно распределяется в форме, обволакивает арматуру – обеспечиваются оптимальные реологические параметры смеси на протяжении всего процесса вспучивания.
Касательно повышения качества ячеистого бетона и снижения материальных и энергоресурсов для его производства, полагаем целесообразным продолжить работы по совершенствованию технологии помола сырьевых материалов, т.е. замену шаровых мельниц, измельчающих материал методом истирания, на агрегаты, измельчающие материал ударным методом. Работы УП «НПО «Центр» (г. Минск) доказали эффективность ударного измельчения сырьевых материалов для производства ячеистого бетона. Замена песка, молотого в шаровой мельнице, на песок, молотый в центробежно-ударной мельнице, увеличивает прочность изделий из ячеистого бетона на 173 % [11].
Для ударной технологии производства ячеистого бетона целесообразно разработать смеситель, обеспечивающий перемешивание высоковязких смесей, подвижность смеси по прибору Суттарда 14–16 см. Смесители, поставляемые зарубежными фирмами, обеспечивают, как правило, перемешивание жидких смесей.
Ударная технология дает наибольший эффект при использовании смесей с низким В/Т. Например, экспериментально и практически [2, 12] установлено, что достижение максимальной прочности бетона зависит от влияния различных технологических факторов: при В/Т, равном 0,32, экстремум достигается при удельной поверхности песка 2300–2600 см2/г, а при В/Т, равном 0,42, – 3100–3300 см2/г.
По-видимому, работы по применению различных химических добавок при производстве ячеистого бетона целесообразно направить на помол сырьевых материалов – интенсификаторы помола, а также на повышение пластической прочности сырца – сокращение времени доавтоклавной выдержки.
В заключение необходимо отметить, что для развития производства и применения крупноразмерных ячеистобетонных элементов, широко используемых за рубежом, а ранее в СССР, в Республике Беларусь имеется необходимая нормативная база, гармонизированная с европейскими стандартами и учитывающая особенности современных технологий производства ячеистого бетона и его свойства. Разработаны технологические решения эффективных несущих и ограждающих конструкций, основанных на результатах отечественных и зарубежных исследований в конце прошлого и начале текущего столетий.
Литература
1. Эвинг, П.В. Экономическая эффективность применения и перспективы производства изделий из ячеистых бетонов / Сборник трудов НИПИсиликатобетон «Производство и применение силикатных бетонов» – № 15. – Таллинн, 1976.
2. Сажнев, Н.П. Производство ячеистобетонных изделий. Теория и практика (3-е издание переработано и дополнено) / Н.Н. Сажнев, Н.Н. Сажнева, Н.М. Голубев. – Минск: «Стринко», 2010. – 459 с.
3. Коровкевич, В.В. Жилые дома из ячеистых блоков для сельского жилищно-гражданского строительства / Промышленность автоклавных материалов и местных вяжущих – Экспресс информация. – Вып. 7. – М, 1983. – С. 28–31.
4. Бонеманн Клаус. Домостроительный комбинат Wehrhahn: производство блоков и модульных элементов из газобетона, а также фибронных цементных листов для возведения энергосберегающих зданий / Материалы 6-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения». – Минск, 2010. – С. 15–20.
5. Галкин, С.Л. Некоторые особенности применения армированных газобетонных изделий в полносборном строительстве / С.Л. Галкин, Н.П. Сажнев, Н.К. Шелег // Материалы 8-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения» – Минск: «Стринко», 2014. – С. 94–101.
6. Бонеманн Клаус, Романова, Г.В. Wehrhahn: более 10 лет на рынке производства автоклавного газобетона в странах СНГ и Балтии / Клаус Бонеманн, Г.В. Романова // Материалы 8-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения» – Минск: «Стринко», 2014. – С. 47–52.
7. Виллем М. ван Боггелен, А. Купава. Быстровозводимое строительство из сборного автоклавного газобетона. Строительная система AIRCRETE / Материалы 8-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения» – Минск: «Стринко», 2014. – С. 109–114.
8. Franz Loderer «PREFABRICATEDAAC WALLELEMENTS» / 5th international Conference on Autoclaved Aerated Concrete – Bydgoszsz, Poland, 2011. – Р. 471–474.
9. Панькин, Н.Н. «От проекта до запуска, от выхода на проектную мощность до оптимизации на линии «Маsa Henke» на Новоспасском заводе НОВОБЛОК ООО «Силикат+» / В настоящем сборнике.
10. Кацынель, Р.Б. 50-летний опыт применения ячеистого бетона в наружных ограждающих конструкциях зданий в Гродненской области / Материалы 9-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения» – Минск: «Колоград», 2016. – С. 65–73.
11. Воробьев, В.В. Центробежно-ударные мельницы для измельчения сырьевых материалов в производстве ячеистых бетонов / В.В. Воробьев, Е.Н. Иванов, А.В. Таболич, П.П. Шиланович // Строительный рынок. – 2008. – № 5 – С. 38–41.
12. Мейнерт, Г.О. О возможном снижении расхода цемента в ячеистом бетоне / Г.О. Мейнерт, А.П. Меркин, Н.П. Сажнев, А.В. Домбровский, В.В. Варламов // Журнал «Бетон и железобетон». – 1988. – № 2. – С. 16–18.
Читать статью полностью – Материалы 11-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения», 2021 – С. 7–12, доступ по ссылке: http://architec.by/sites/default/files/Konf_beton2021_sbornik.pdf
