Инженерные проблемы современного бетона и железобетона
- Какими должны быть сам бетон, технология его изготовления, конструкции, изготовленные из бетона и железобетона, в грядущем столетии? Поставим еще один вопрос. Довольны ли мы сегодня тем бетоном, с которым имеем дело? И да, и нет.
У нас есть и научные предпосылки, и определенный опыт, возможно, не столько практический, сколько исследовательский, получения бетона с прочность 300 МПа и более, теплоизоляционных бетонов. В НИИЖБ разработан неводонасыщаемый, плавающий на поверхности воды газобетон, изготавливаемый по безавтоклавной технологии, из которого можно строить как монолитные, так и сборные объекты, причем монолиты не требуют сушки благодаря вводимым в состав смеси добавкам. Мы можем готовить бетон на напрягающем цементе с водонепроницаемостью до 25 атмосфер и целый ряд других бетонов, отвечающих, по крайней мере, современным требованиям.
В то же время все чаще приходится наблюдать разрушение бетонных и железобетонных конструкций вследствие низкой солестойкости бетона. К сожалению, он не всегда готов к надежной работе в условиях повышения агрессивности окружающей среды.
И до конца следующего столетия бетон останется основным строительным материалом. Замены ему пока не видно в более или менее обозримом будущем. Поэтому актуальность вопросов получения долговечного и надежного бетона очевидна.
Говоря о проектировании (а скорее - о прогнозировании) состава бетонной смеси, вынужден констатировать, что сегодняшний метод проектирования состава является экспериментальным. Часто именно это обстоятельство вызывает преждевременное разрушение конструкций. Нас уже давно не устраивает этот старый метод, и мы постепенно будем от него отходить. Он останется лишь для исследовательской деятельности. Сейчас идет работа над получением бетона с заранее заданными свойствами. В НИИЖБ и целом ряде других институтов такие работы ведутся, жаль, что они не всегда координируются. В дальнейшем, думаю, жизнь заставит это сделать.
Разговор о качественном бетоне и его свойствах мы волей-неволей должны начинать с обсуждения свойств его компонентов.
Начнем с цемента. Пока мы не перестанем возить его навалом, хранить и возить в бумажных мешках, нужное качество бетона не будет обеспечиваться никогда. Цемент должен быть стабильного состава; всякий раз, проектируя смесь, мы должны знать, с чем мы имеем дело. Цемент должен храниться исключительно в герметичной таре. Думаю, что в будущем так оно и будет. Только тогда мы будем иметь гарантию того, что в процессе хранения и транспортирования цемент не утратит части своих свойств.
За рубежом практикуется приготовление цемента по заказу. Имеется такой опыт и у нас. Я имею в виду изготовление в заводских условиях напрягающих цементов. При этом применялась высокоточная технология, конечный же продукт полностью соответствовал требованиям технических условий. Эту практику следует распространить на все заводы, изготавливающие цемент.
Теперь - о заполнителе. Гранулометрия должна обеспечивать следующее соотношение фракций: зерна более мелкой должны заполнять пространство между зернами более крупной. В этом случае будет получен плотный и надежный бетон с минимальным расходом вяжущего.
Сегодня и в НИИЖБ и в других научных учреждениях идут исследования на основе физики твердого тела, теорий прочности и деформативности. Целью их является выявление сути процессов взаимодействия компонентов бетона. Если мы сможем проектировать такие составы бетона, в которых мы заранее сможем устанавливать и внутренние напряжения, и надежный контакт между матрицей и зернами заполнителя, можно будет говорить о качестве и надежности получаемого бетона, о соответствии его характеристик будущим условиям эксплуатации.
Химические добавки, которыми мы располагаем на сегодняшний день, в общем, неплохие: суперпластификаторы, воздухововлекающие, замедляющие, стабилизирующие и целый ряд других. По существу, в дальнейшем мы должны рассматривать бетон как металл. Для того чтобы сделать из обычного железа сталь нужного качества, используются различные присадки. В будущем мы придем к этому же при работе с бетоном. Сегодня нам очень нужны добавки, представляющие собой ускорители твердения. Проверив в лаборатории НИИЖБ довольно много зарубежных ускорителей твердения, мы пришли к выводу, что настоящий результат пока что никем и нигде не получен. Очень мало ускоряющих добавок, способных конкурировать с обычным хлористым кальцием. Располагая искомой добавкой, мы смогли бы уменьшить степень энергетического воздействия при твердении бетона, а в перспективе - вообще отказаться от энергетики.
Хотим мы этого или не хотим, но 49% территории России - это зона вечной мерзлоты. Поэтому вопросы укладки бетона в зимних условиях также весьма актуальны. Сегодня мы имеем противоморозные добавки, и эти добавки нас совершенно не устраивают. Ситуация, когда бетон набирает прочность лишь через месяц, а то и три, плохо согласуется с современными темпами строительства. Поэтому нам нужны активные антифризы, которые не только препятствовали бы замерзанию жидкой фазы при низкой температуре, но и способствовали бы, активно взаимодействуя с цементом, более быстрому твердению бетона, нарастанию его прочности. В дальнейшем без добавок ни один кубометр бетона не должен и не будет производиться.
По-прежнему велика роль минеральных добавок. Мы не всегда готовим исключительно высокопрочный бетон. Исследования показали, что область его применения довольно ограничена. Мы не должны ориентироваться только на 200-300 МПа, это прочность бетона, применяемого в спецконструкциях. На рядовых же объектах сплошь и рядом будут применяться рядовые бетоны марки от 250 до 400. Например, не всегда удается добиться высокого качества бетона дорожных оснований с минимальным расходом цемента. В подобных случаях весьма кстати оказываются минеральные добавки: золы, шлаки и другие отходы промышленного производства. Помимо экономии цементного клинкера, это способствует улучшению экологии. Безусадочные, или расширяющиеся бетоны, незаменимые при изготовлении целого ряда конструкций, также получаются в результате применения минеральных добавок.
Компьютеризация подбора состава бетона - это отдельный вопрос. Но без четкого представления о характере влияния всех перечисленных факторов на процесс структурообразования бетона компьютер не явится существенным подспорьем.
Нужны и экспресс-методы, позволяющие еще на ранней стадии твердения бетона сказать, будет ли он в желаемой степени морозостойким, водонепроницаемым, коррозионностойким. На сегодняшний день имеются разработки и в этой области, но комплексный учет всех характеристик пока отсутствует.
Какой будет технология производства бетона? Мне кажется, в основном она останется традиционной. Однако нельзя исключать вероятность необходимости раздельного приготовления бетонной смеси. При приготовлении гомогенной матрицы, особенно в случае введения небольшого количества добавок, бывает трудно добиться качественного перемешивания в большом смесителе, равномерно распределить добавку, вводимую в основном для воздействия на цементное тесто.
Предвижу появление в ближайшем будущем технологии, которую можно условно назвать дополняющей. Что она из себя представляет? Например, на целом ряде объектов, находящихся на значительном удалении от бетонных заводов, расширяющую либо ускоряющую добавку вводят непосредственно перед укладкой бетона в опалубку. Будучи введенной еще на заводе, добавка в условиях длительного транспортирования может привести к порче не только партии бетона, но и миксера. Да и не всегда можно быть уверенным, что на заводе введут нужную добавку в нужном количестве.
Сегодня в мире проводится много конгрессов и симпозиумов, посвященных перспективам развития сборного железобетона. Какие здесь ожидаются тенденции? В первую очередь, безусловно, компьютеризация управления технологическим процессом. Мне приходилось видеть такие заводы. Находящийся у пульта управления оператор с помощью нескольких мониторов следит за всеми происходящими на заводе процессами. Но компьютеризация производства практически невозможна без его автоматизации.
Ассортимент многих наших заводов широк, часто приходится делать переналадку, поэтому я не уверен, что в ближайшее время все они могут быть полностью автоматизированы и компьютеризированы. Но автоматизация отдельных технологических процессов (термообработка, армирование, уплотнение при бетонировании) совершенно реальна. Впрочем, при изготовлении какой-то конкретной конструкции производство может быть автоматизировано и полностью - от приготовления бетонной смеси до отгрузки готовых конструкций. Это даст возможность качественного изготовления продукции с минимумом энергозатрат.
Несколько сложнее обстоит дело с монолитным строительством. Вопрос автоматизации возведения монолитных объектов весьма проблематичен, и я не уверен, что он будет решен в следующем столетии. Автоматизированы могут быть отдельные процессы, например термообработка в зимних условиях. Вообще же компьютеризация управления технологией строительного производства должна непременно осуществиться. В этом случае будет решена задача оперативного вмешательства в тот или иной технологический передел и быстрого его решения.
Что касается роботизации, то я вновь не уверен, что она будет реализована, например, при возведении зданий из монолитного бетона. Однако почему бы не отдать на откуп роботам производство сборного железобетона или отдельные процессы монолитного строительства, например изготовление каркасов или распалубливание конструкций? На одной из конференций Израиль демонстрировал робота-штукатура, но этому роботу помогал рабочий, если же учесть, что работу робота должен обязательно контролировать еще и электронщик, то очевидно, что пока что игра не стоит свеч.
Сегодня мы в первую очередь должны взяться за разработку программ научного взаимодействия. Одному коллективу такая задача не по плечу. Поэтому всем нашим научным школам предстоит кооперация, какие бы государственные границы их ни разделяли.
Мы должны регулярно пересматривать наши нормативные документы. По некоторым направлениям строительства эти документы были разработаны 20-25 лет назад. Они уже стали библиографической редкостью.
Мы, наконец, должны регулярно собираться в разных местах, по разным вопросам на конференции, подобные нынешней. В спорах рождается истина.
Нет на свете ничего вечного, но по несколько сот лет наши бетонные и железобетонные конструкции служить должны.
Генеральный доклад "Проблемы технологии бетона и железобетонных конструкций" был подготовлен И. Н. Ахвердовым, Н. П. Блещиком, В. П. Лысовым, М. Ф. Марковским и В. И. Соломатовым. Выступление представлявшего и БелНИИС и БГПА профессора Н. П. Блещика было посвящено четырем проблемам: проектированию бетонных композиций и режиму выдерживания бетонных и железобетонных конструкций с обеспечением заданных технических свойств этих конструкций; получению характеристик, необходимых для новых направлений расчета и конструирования; проблемам ресурсосбережения, в основном энергосбережения, как при производстве сборного железобетона, так и при возведении монолитных объектов; наконец, разработке необходимых нормативных документов (проблема актуальна не только для РБ, но и для всего СНГ).
- Нами разработана, - уточнил Николай Павлович, - следующая нормативная документация, регламентирующая энергосберегающие мероприятия при производстве сборного железобетона: технические условия на химические добавки и рекомендации по определению режимов выдерживания бетона различных марок в различных условиях. Эта нормативная база сегодня находит широкое распространение в РБ. Что же касается монолитного железобетона, то здесь мы имеем дело с граничными условиями, диктуемыми, в первую очередь, необходимостью заботы об окружающей среде, во-вторых - вопросами металлоемкости опалубки, которую необходимо учитывать при расчете баланса теплопотерь, сопровождающих процессы, протекающие внутри бетона. Разработанные нами необходимые рекомендации прошли опытную проверку при строительстве экспериментальных зданий, в частности каркасных зданий сборно-монолитных конструкций.
Что же касается разработки нормативных документов, регламентирующих деятельность всех институтов строительной отрасли РБ, то, полагаю, и сама наша республика будет впредь оставаться независимым государством, и все нормативы РБ будут впредь оставаться именно нормативами РБ. Неважно, заимствований из каких источников в итоге будет больше в белорусских строительных нормативах - из еврокода либо из норм бывшего СССР. Разработка в полном объеме к 2000 году комплекса этих документов, относящегося к стройотрасли, продолжает оставаться актуальной задачей, и сегодня мы с заведующим кафедрой строительных конструкций БГПА Т. М. Пецольдом, возглавляя стандартизационный комитет по бетону и железобетону, стараемся не разделять технологию и конструкции, а совместно решать вопросы нормотворчества как первой, так и второй тематики. Известно, что в России создан и действует соответствующий межгосударственный комитет. Разрабатываемые им нормы мы, разумеется, с готовностью приняли бы в случае, если бы выяснилось, что они удовлетворяют нашим условиям. РБ отчисляет определенные средства в фонд упомянутого комитета, однако участие специалистов республики в его работе предполагается состоящим лишь в рассматривании уже разработанных в России проектов норм и принятии либо непринятии их к сведению и руководству. Наши же предложения чаще всего отклоняются без каких-либо мотивировок. Нам представляется, что разработка подобных межгосударственных документов должна вестись коллегиально. Первая редакция может быть поручена конкретному подразделению строительной отрасли конкретной страны, к работе же над второй редакцией могут быть привлечены многие специалисты, дабы в результате подобного нормотворчества были удовлетворены все республики бывшего СССР.
Профессор БГПА В. П. Лысов подробнее остановился на процессе производства монолитных бетонных работ в зимних условиях.
- Вместо того, - сказал он, - чтобы утеплять бетон и опалубку, мы помещаем тепло туда, где находится набирающая прочность бетонная либо железобетонная конструкция и называем это одним из методов электропрогрева бетона. Понятно, что на заводе сборного железобетона важно как можно быстрее освободить форму, здесь счет идет не на дни, а на часы схватывания и твердения бетона. На стройплощадке же, возможно, не сыграют существенной роли даже лишние прихваченные сутки. Поэтому не совсем понятна тенденция прогревания среды схватывания монолита до 70 оС и более, ведущая к перерасходу электро- и теплоэнергии в 2 и более раза. С другой стороны, результатом вложения ряда добавок, в первую очередь нитрита, является перерасход электроэнергии в заводских условиях в большей степени, нежели при электропрогреве на стройплощадке. Более того, длительное наблюдение за теми объектами, в ходе возведения которых применялись добавки, способствующие быстрому твердению бетона, показывает, что непродуманное применение добавок часто бывает пагубным для тех, кому предстоит эксплуатировать эти объекты, жить в этих домах.
- Мне случилось ознакомиться с одним из нормативных документов, разработанных одним из российских институтов труда и посвященных технологии производства монолитных бетонных и железобетонных работ, - добавил М. Ф. Марковский. - Два основных инструмента, рекомендуемых к применению при производстве опалубочных работ, -это лом и кувалда. Вот уровень организации работ, закладываемый в нормативах! Опыт работы иностранных фирм как на территории России, так и на территории РБ наглядно показывает, что монолитный бетон как по срокам возведения объектов, так и по качеству получающейся поверхности представляет экономически наиболее выгодную технологию. Следует сказать, что в монолитном бетонном строительстве существуют две ключевые позиции, без грамотного обслуживания которых мы явно не можем в должной степени извлекать выгоду из данной отрасли строительства. Я имею в виду совершенствование технологии как бетонных, так и опалубочных работ. Опалубку я сравнил бы с платьем, бетон - с человеческим телом. И то и другое подвластно старению, но первое - еще и моральному. Как более удачный фасон, более совершенная конструкция сохраняет актуальность в течение более продолжительного периода. Поэтому мы решили создать не просто опалубку, а опалубочную систему, которая включала бы в себя несколько базовых опалубок массового применения, причем все они должны быть совместимы и технологически, и по паспортным параметрам, и по другим показателям. Мне известны более 10 европейских фирм (и это далеко не все фирмы!), которые не только разрабатывают и изготавливают опалубочные системы, но и осуществляют технологическое обеспечение опалубочных работ. Например, фирма "Peri" насчитывает 1 600 сотрудников. Больную долю этого контингента составляют инженерно-технические работники. Фирма располагает как научно-исследовательским, так и мощным испытательным центром. Вот пример отношения к данному разделу технологии строительных работ в развитых странах.
На первый взгляд, все опалубки похожи друг на друга, и всякому, кто не занимался данным вопросом вплотную, кажется, что очень просто скопировать ту или иную. На деле методика расчета опалубок отличается от методики расчета прочих стальных конструкций. Обычная теория в данном случае не работает - иная геометрия, иные узлы. Поэтому любая солидная фирма обязательно испытывает любой опалубочный элемент, даже обычную двутавровую балку.
Как любой вид продукции, опалубка должна характеризоваться рядом определенных показателей. Сейчас мы разрабатываем соответствующий нормативный документ. И в первую очередь обращаем внимание на несущую способность опалубки. До сих пор на этот показатель не обращали внимания. Между тем он определяет все технологические параметры бетонирования, в частности скорость укладки бетонной смеси. Остановлюсь также на качестве поверхности монолитной бетонной (железобетонной) конструкции. В соответствии с немецкими нормативами DIN поверхность может быть как обычного, так и повышенного качества, причем проектировщики этот показатель закладывают в проект. Технологи же обязаны получить на стройплощадке предусмотренное проектировщиками качество поверхности.
Мы ввели ряд характеристик, ограничивающих деформативность опалубочной системы (и, следовательно, схватывающегося монолита). Наиболее высокие требования предъявляются к потолкам. И понятно, что требования к лицевым поверхностям выше, чем к скрытым.
Однако сами по себе эти показатели, не будучи связанными с технологией бетонных работ, мало что дают. Как перегрузка крана определенной грузоподъемности ведет к его повреждению либо опрокидыванию, так и превышение несущей способности опалубки должно тщательно отслеживаться и нормироваться.
Вначале нами была разработана серия мелкощитовых опалубок. Понятие это чисто условное, я же предпочитаю говорить об опалубках ручной сборки. Мы испытываем все виды изготавливаемых нами опалубок. В конструктивном плане мы имеем сложную перекрестную систему, определенным образом опертую. Подсчет всех без исключения деформаций крайне затруднен. Поэтому расчетом они определяются лишь приблизительно. Окончательную картину можно получить только экспериментально. Они-то и будут паспортными данными опалубки.
Наибольшая допустимая деформация возможна по диагонали щита. Она должна ограничиваться в первую очередь.
Важно знать, какая в том или ином случае может быть назначена скорость бетонирования для того, чтобы были выдержаны нормативные и проектные показатели конструкции. Специально для линейных ИТР мы разработали номограммы, пользуясь которыми, прораб или мастер может определить этот параметр в условиях стройплощадки, исходя из характеристик конкретной смеси и температуры наружного воздуха.
И несущую способность и деформативность опалубок контролируют все известные их производители, но есть еще и стоимостной показатель. В этом отношении нам удается успешно конкурировать с инофирмами. Сегодня 1 м 2 самой дешевой опалубки стоит как минимум $300. Основные функциональные показатели нашей продукции не уступают таковым ведущих фирм. Опередить нас можно по отдельным показателям дизайна либо издав роскошный проспект.
Генеральный доклад В. Г. Казачка и Д. Н. Лазовского, представлявших научно-технический совет центра "Белстроительство" (этот центр в соответствии с решением Минстройархитектуры РБ является головной организацией по экспертизе, реконструкции и технической эксплуатации зданий и сооружений), был посвящен актуальным проблемам повышения эксплуатационной надежности зданий и сооружений, возводимых на территории РБ. В докладе было обращено внимание на необходимость развития экспресс-методов оценки состояния несущих конструкций. Дело в том, что в разработанных в последние годы в России классификаторах дефектов, которыми пользуется стройнадзор, отнесение того или иного дефекта к определенному классу не увязано ни с величиной дефекта, ни с местом его появления. В результате можно при наличии любого из перечисленных в классификаторах дефекта остановить строительство, то есть инспектор стройнадзора, потрясая классификаторами, может творить произвол. Классификаторы дефектов должны быть основой для дальнейших действий, и авторы доклада предлагают составить общий перечень дефектов по отдельным видам конструкций, в этом перечне выделить группу наиболее опасных дефектов - критические дефекты I степени, остальные же дефекты разделить на 2 категории. Это дефекты, которые характеризуются показателями качества и имеют нормируемые численные значения, и дефекты, связанные с нарушением технологии производства работ, различными повреждениями, отсутствием комплектности, то есть не имеющие нормируемого численного значения. Дальше дефекты должны подразделяться по величине, то есть по степени отклонения от допуска. Предлагается также выделять степень ответственности участка конструкции, на котором обнаружен данный дефект, на ее работоспособность. А уже в зависимости от класса дефекта и степени ответственности участка относить ту или иную конструкцию к определенной категории состояния в соответствии с экспресс-методами, которые должны базироваться на внешних признаках.
Днем ранее об этом же говорил руководитель научно-производственной фирмы "Композит" (Черновцы) М. Ш. Файнер:
- Давайте признаем эти методы хотя бы на факультативном уровне. Давайте признаем, что сделано определенное открытие, хотя мы и не привыкли к наличию пророков в своем отечестве, к тому, что некоторые открытия делаются и в глубинке.
Главным результатом конференции является тот факт, что никогда не прерывавшиеся творческие связи советских ученых-строителей действуют и на постсоветском пространстве, что пути развития этих связей являются путями развития строительных отраслей каждой из республик бывшего СССР.
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 47 за 1997 год в рубрике бетон
