Штучные материалы в современном строительстве
К концу 80 гг. на каждого жителя БССР производилось около 230 шт. строительного кирпича в год. Низкий уровень использования производственных мощностей по выпуску стеновых панелей на заводах промышленности стройматериалов, ЖБИ и ДСК свидетельствует о возросшей в настоящее время роли мелкоштучных стеновых материалов в строительстве.
Сложившаяся тенденция в определенной степени противоречит существовавшей до недавнего времени концепции прогрессивности крупноразмерных конструкций. Одни объясняют это тем, что такого рода производства требуют мощной производственной базы и значительного расхода цемента и стали, другие - переходом на строительство преимущественно малоэтажных зданий, при котором свойства каменных материалов используются наиболее полно.
Если обратиться к западному опыту, то можно видеть, что при строительстве различных типов зданий и сооружений на Западе успешно сочетаются крупноразмерные элементы с мелкоштучными. Связано это не только с экономической эффективностью, но и с решением определенных задач архитектоники.
Готовы ли выпускаемые в настоящее время мелкоштучные стеновые материалы заменить стеновые панели без ущерба для качества строительной продукции? Если сравнить отечественные фирмы по качеству изделий и технологий строительства с западными то, станет ясно, что скорее нет, чем да.
Хорошо сохранившиеся до нашего времени каменные (кирпичные) постройки начала ХХ века и прошлых веков отличаются массивностью ограждающих конструкций из полнотелого кирпича, преимущественно керамического. По-видимому, причиной этого служит оптимальный уровень нагрузок и определенные теплофизические свойства сплошной кладки. Способность материала стен аккумулировать тепло уменьшает температурные колебания в помещении. После прекращения отопления стена выделяет поглощенное тепло. Если в зимний период кладка охладилась до минусовой температуры, то она не так быстро с ней расстается даже в случае оттепелей. В этих условиях в стене не наблюдается частых и резких колебаний температуры, способствующих ее активному разрушению. Кроме того, применение полнотелых обожженных (керамических) материалов обеспечивает ей лучшую защиту от воздействия солнечной радиации (перегрева).
Устройство такой кладки требует высокой квалификации рабочих и большого расхода материалов, не говоря о высокой трудоемкости каменных работ. Тем не менее каменная кладка имеет ряд преимуществ перед панельными наружными стенами. Как показывает опыт эксплуатации полносборных зданий, в них нередко отмечается наличие протечек, промерзаний и фильтрации воздуха через стыки панелей. Жгуты, мастики, герволент не всегда обеспечивают требуемое уплотнение стыков. Это также касается цементного и полимерцементного растворов, используемых для защиты изоляционных материалов и отделки фасадов.
По мнению ряда ученых и специалистов, у каменной кладки имеется ряд недостатков, устранение которых позволит обеспечить ей более эффективное применение. Вот что имеется в виду. Плотность и толщина слоя раствора в горизонтальных швах не везде одинаковы. Это приводит к неравномерности нагрузок на единицу горизонтальной поверхности кирпича, а значит, вызывает, кроме напряжений сжатия, также напряжения изгиба и среза. Каменные материалы обладают слабым сопротивлением изгибу.
Недостаточная прочность строительного раствора вызывает появление в кирпиче растягивающих усилий, составляющих до 50% предела его прочности на растяжение. Увеличение толщины слоя раствора приводит к снижению прочности кладки и увеличению ее теплопроводности.
На один из способов устранения перечисленных недостатков указывалось и ранее (Н.М. Онуфриев). В частности, отмечалось, что многорядная перевязка кладки, имеющая внутренние сквозные швы в вертикальной плоскости, может быть легко выполнена с пустым швом, обеспечивающим уменьшение ее теплопроводности. Стена с пустым швом при толщине в 2 кирпича эквивалентна сплошной кладке в 2,5 кирпича при цепной перевязке.
К приведенному следует добавить, что применение камней пазогребенной конструкции при безрастворной кладке стен зданий с их последующим оштукатуриванием, а также стен подвальных помещений исключает появление мостиков холода при отрицательной наружной температуре.
Согласно зарубежной информации, нередко появляются ограждающие конструкции, выполненные без строительного раствора в швах кладки. Недостаток устойчивости и прочности компенсируется применением стальной арматуры в вертикальных каналах и горизонтальных углублениях, которыми располагают штучные элементы. Кирпич используется также для сборки колонн (40х40х100 см). Продолжительность работ минимальная (около 10 мин). Прочность изделия на сжатие - до 35 - 40 МПа. Конструкция обладает достаточной устойчивостью. Замоноличивание бетонной смесью по всей высоте улучшает ее прочностные показатели. Предварительное напряжение, достигаемое путем растяжения арматуры, дальнейшая передача его бетону в каналах безрастворной кладки при взаимном сцеплении позволяют придать конструкции повышенную сопротивляемость изгибу и растяжению. Помимо этого, становится возможным применение арматуры из высокопрочных сталей, что обеспечивает сокращение ее расхода на 30-70% по сравнению с обычным армированием. Однако все изложенное возможно при наличии высокопрочных штучных материалов. К примеру, средняя марка кирпича в США и Канаде составляет "400", а в Великобритании - "700", у нас же она в 2,5-4 раза меньше. Но если кирпич имеет марку "75", то даже при высокой марке раствора кладка нуждается в горизонтальном армировании стальными сетками, чтобы ее прочностные характеристики позволили вписаться в современное строительство. Общее сетчатое армирование считается оптимальным в пределах 0,1-1% от общего объема кладки. Однако за этими скромными процентами на деле скрываются дополнительные затраты на арматурную сетку и зарплату. По некоторым данным, они составляют 100-500 тыс. руб. на 1 м3 кладки.
Поскольку меньшая толщина сечения кладки обладает большей сопротивляемостью сжатию, то есть в данном случае кладка относительно более прочная (ее прочность на 10-25% больше прочности обычной кладки благодаря уменьшению количества швов), то это явилось одной из причин создания многослойных стен. Среди них широкую известность получили кирпично-бетонная облегченная кладка системы Н.С. Попова и колодцевая - А.С. Власова. Толщина каждой из двух стенок в обеих системах составляет полкирпича. В первом случае заполнение пространства между стенками осуществляется легким бетоном, а во втором, помимо легкого бетона, используются засыпные минеральные теплоизоляционные материалы (керамзит, шлак и так далее) или легкобетонные вкладыши в виде камней и плит. Разумеется, недостаточное термосопротивление наружных стеночек в рассматриваемых кладках компенсируется размещением за ними теплоизоляционных материалов. Увеличение несущей способности (устойчивости) производится по системе Попова с помощью тычковых рядов кладки (диафрагм), заходящих в бетон на полкирпича, или отдельных кирпичей, укладываемых тычками в продольных стенках. Система Власова предусматривает устройство поперечных стенок толщиной в полкирпича, перевязанных с продольными стенками с образованием колодцев.
Об эффективности облегченной кладки было известно еще в 50-е годы. В частности, отмечалось, что в условиях несейсмической местности качественное выполнение такой кладки позволяет экономить по сравнению со сплошной кладкой до 43% кирпича и снижать стоимость 1 м3 кладки на 15-25%. Однако для облегченной кладки были установлены и другие ограничения, например непригодность ее для строительства бань, прачечных, цехов с влажным режимом работы и динамическими нагрузками, а также высотой более четырех этажей.
Однако теплосопротивление и устойчивость облегченной кладки могут быть увеличены, если для стенок будут использованы строительные камни (блоки) с технологическими пустотами, в которых устанавливается вертикальная арматура совместно с бетоном. При необходимости арматура размещается аналогичным образом в горизонтальных швах. Подобное увеличение прочности и устойчивости продольных стенок позволяет отказаться от теплопроводных поперечных стенок и диафрагм. Вместо них целесообразно использовать связующие элементы из армированного легкого бетона или гибких пластиков, которые являются составной частью гантелеподобных блоков. Каждый такой блок является сборным и включает в себя два стеновых камня (для наружной и внутренней стенок). Связующий элемент может быть использован для стеллажей, на которые укладываются силовые и слаботочные трубопроводы и кабели Оставшаяся полость заполняется легким бетоном. В результате совместной работы металлических труб и бетона прочность кладки увеличивается. При неравномерной осадке (усадке) применяются гибкие связующие элементы.
Благодаря наличию пазов и выступов на стенообразующих частях усовершенствованного блока кладка изготавливается без строительного раствора (может быть нанесен легкий слой клея). Для отопления помещения предусматриваются нагревательные приборы, вмонтированные в панель, которая занимает место стенообразующей части блока.
В облегченной колодцевой кладке (А.Е. Власов) должны быть поперечные стенки. Их изготовление не только трудоемко, но и вызывает образование мостиков холода. Вместе с тем создание двух стеночек, например с использованием строительного камня Н-образной формы, исключает наличие мостиков холода, даже если между стенками не будет воздушной прослойки. При ее наличии теплосопротивление кладки соответственно увеличивается. Во избежание конденсации водяных паров, идущих из помещения, воздушная прослойка вентилируется. С этой целью в нижней и карнизной частях стены выполняются отверстия. Их площадь зависит от конкретных условий эксплуатации здания. Предполагается, что сообщение вышеуказанных отверстий с атмосферой не ухудшает эксплуатационных свойств ограждения. Связь между стенками может быть осуществлена различными способами, например путем устройства скоб.
В пользу стены такого типа высказывается ряд специалистов. Более экономичной является кладка из полнотелого кирпича с образованием замкнутых воздушных прослоек шириной 5-7 см. В этом случае расход кирпича сокращается на 15-20%, хотя требуется наружная штукатурка стен, препятствующая инфильтрации воздуха через воздушные полости. При заложении их минеральным войлоком тепловая эффективность пустот увеличивается на 30-40%, при заполнении пенопластом - на 200%.
Стремление уменьшить толщину каменной кладки нередко оборачивается привлечением немалых средств на топливо и всякого рода ремонты и утепления. Возьмем, к примеру, бетонные пустотелые блоки размером 39х19х19 см на плотном заполнителе. Они производятся гладкими и рифлеными, серого и других цветов. Наиболее широкое применение эти блоки находят в США, Франции, Италии, то есть в странах, где не бывает больших холодов.
В США указанные блоки имеют стандартный размер 20х20х40 см. Они имеют широкий выбор по цвету (81 цвет) и текстуре. Наличие у них полимерного покрытия дает возможность стенам легко очищаться и не нуждаться в окраске. В Франции их выпускают трех цветов и с тремя типами фактуры. Так же, как и в США, блоки имеют размеры 20х20х40 см.
В Италии пустотелые блоки выпускаются размерами 39,5х19,5х19,5 см. Лицевая грань выполняется гладкой или рифленой различных цветов (черный, красный, желтый, коричневый).
Поскольку пустотелые блоки имеют ограниченную прочность на сжатие, вероятно, целесообразнее изготовить стену из полнотелого кирпича толщиной 25 см и утеплить ее снаружи плитным утеплителем по способу "термошуба", исключающему возникновение мостиков холода по всей поверхности кладки. При этом толщина стены будет меньше в 1,7-2,7 раза. Такой вывод заслуживает внимания, поскольку даже в странах Запада (Германия) рекомендуется к применению строительный блок (заявка № 3444805, МКИЕ04 С1/40; 1/14), внутри которого выполнена теплоизоляция из пенопласта по всей длине параллельно боковым стенкам. При этом между теплоизоляцией и стенками имеются воздушные полости. Такая конструкция блока позволяет возводить стену толщиной в половину блока. Это не только уменьшает расход материалов, но и создает предпосылки для применения эффективных решений по связи блоков на тычках и постельных поверхностях.
Автор настоящей статьи располагает собственными решениями в этой области, которые ждут своего применения. Создание непрерывного изоляционного слоя, исключающего появление мостиков холода по всей поверхности ограждения, составляет основу новых технических решений, применяемых при использовании штучных элементов. Они во многом обладают свойствами трехслойных панелей; кроме того, они могут быть изготовлены по прогрессивным технологиям на высокопроизводительном оборудовании. При этом возможно наращивание объемов производства без значительных капвложений, чего нельзя сказать о крупнопанельном производстве, требующем дорогостоящих стальных форм.
Николай МЕЛЬНИКОВ
Сложившаяся тенденция в определенной степени противоречит существовавшей до недавнего времени концепции прогрессивности крупноразмерных конструкций. Одни объясняют это тем, что такого рода производства требуют мощной производственной базы и значительного расхода цемента и стали, другие - переходом на строительство преимущественно малоэтажных зданий, при котором свойства каменных материалов используются наиболее полно.
Если обратиться к западному опыту, то можно видеть, что при строительстве различных типов зданий и сооружений на Западе успешно сочетаются крупноразмерные элементы с мелкоштучными. Связано это не только с экономической эффективностью, но и с решением определенных задач архитектоники.
Готовы ли выпускаемые в настоящее время мелкоштучные стеновые материалы заменить стеновые панели без ущерба для качества строительной продукции? Если сравнить отечественные фирмы по качеству изделий и технологий строительства с западными то, станет ясно, что скорее нет, чем да.
Хорошо сохранившиеся до нашего времени каменные (кирпичные) постройки начала ХХ века и прошлых веков отличаются массивностью ограждающих конструкций из полнотелого кирпича, преимущественно керамического. По-видимому, причиной этого служит оптимальный уровень нагрузок и определенные теплофизические свойства сплошной кладки. Способность материала стен аккумулировать тепло уменьшает температурные колебания в помещении. После прекращения отопления стена выделяет поглощенное тепло. Если в зимний период кладка охладилась до минусовой температуры, то она не так быстро с ней расстается даже в случае оттепелей. В этих условиях в стене не наблюдается частых и резких колебаний температуры, способствующих ее активному разрушению. Кроме того, применение полнотелых обожженных (керамических) материалов обеспечивает ей лучшую защиту от воздействия солнечной радиации (перегрева).
Устройство такой кладки требует высокой квалификации рабочих и большого расхода материалов, не говоря о высокой трудоемкости каменных работ. Тем не менее каменная кладка имеет ряд преимуществ перед панельными наружными стенами. Как показывает опыт эксплуатации полносборных зданий, в них нередко отмечается наличие протечек, промерзаний и фильтрации воздуха через стыки панелей. Жгуты, мастики, герволент не всегда обеспечивают требуемое уплотнение стыков. Это также касается цементного и полимерцементного растворов, используемых для защиты изоляционных материалов и отделки фасадов.
По мнению ряда ученых и специалистов, у каменной кладки имеется ряд недостатков, устранение которых позволит обеспечить ей более эффективное применение. Вот что имеется в виду. Плотность и толщина слоя раствора в горизонтальных швах не везде одинаковы. Это приводит к неравномерности нагрузок на единицу горизонтальной поверхности кирпича, а значит, вызывает, кроме напряжений сжатия, также напряжения изгиба и среза. Каменные материалы обладают слабым сопротивлением изгибу.
Недостаточная прочность строительного раствора вызывает появление в кирпиче растягивающих усилий, составляющих до 50% предела его прочности на растяжение. Увеличение толщины слоя раствора приводит к снижению прочности кладки и увеличению ее теплопроводности.
На один из способов устранения перечисленных недостатков указывалось и ранее (Н.М. Онуфриев). В частности, отмечалось, что многорядная перевязка кладки, имеющая внутренние сквозные швы в вертикальной плоскости, может быть легко выполнена с пустым швом, обеспечивающим уменьшение ее теплопроводности. Стена с пустым швом при толщине в 2 кирпича эквивалентна сплошной кладке в 2,5 кирпича при цепной перевязке.
К приведенному следует добавить, что применение камней пазогребенной конструкции при безрастворной кладке стен зданий с их последующим оштукатуриванием, а также стен подвальных помещений исключает появление мостиков холода при отрицательной наружной температуре.
Согласно зарубежной информации, нередко появляются ограждающие конструкции, выполненные без строительного раствора в швах кладки. Недостаток устойчивости и прочности компенсируется применением стальной арматуры в вертикальных каналах и горизонтальных углублениях, которыми располагают штучные элементы. Кирпич используется также для сборки колонн (40х40х100 см). Продолжительность работ минимальная (около 10 мин). Прочность изделия на сжатие - до 35 - 40 МПа. Конструкция обладает достаточной устойчивостью. Замоноличивание бетонной смесью по всей высоте улучшает ее прочностные показатели. Предварительное напряжение, достигаемое путем растяжения арматуры, дальнейшая передача его бетону в каналах безрастворной кладки при взаимном сцеплении позволяют придать конструкции повышенную сопротивляемость изгибу и растяжению. Помимо этого, становится возможным применение арматуры из высокопрочных сталей, что обеспечивает сокращение ее расхода на 30-70% по сравнению с обычным армированием. Однако все изложенное возможно при наличии высокопрочных штучных материалов. К примеру, средняя марка кирпича в США и Канаде составляет "400", а в Великобритании - "700", у нас же она в 2,5-4 раза меньше. Но если кирпич имеет марку "75", то даже при высокой марке раствора кладка нуждается в горизонтальном армировании стальными сетками, чтобы ее прочностные характеристики позволили вписаться в современное строительство. Общее сетчатое армирование считается оптимальным в пределах 0,1-1% от общего объема кладки. Однако за этими скромными процентами на деле скрываются дополнительные затраты на арматурную сетку и зарплату. По некоторым данным, они составляют 100-500 тыс. руб. на 1 м3 кладки.
Поскольку меньшая толщина сечения кладки обладает большей сопротивляемостью сжатию, то есть в данном случае кладка относительно более прочная (ее прочность на 10-25% больше прочности обычной кладки благодаря уменьшению количества швов), то это явилось одной из причин создания многослойных стен. Среди них широкую известность получили кирпично-бетонная облегченная кладка системы Н.С. Попова и колодцевая - А.С. Власова. Толщина каждой из двух стенок в обеих системах составляет полкирпича. В первом случае заполнение пространства между стенками осуществляется легким бетоном, а во втором, помимо легкого бетона, используются засыпные минеральные теплоизоляционные материалы (керамзит, шлак и так далее) или легкобетонные вкладыши в виде камней и плит. Разумеется, недостаточное термосопротивление наружных стеночек в рассматриваемых кладках компенсируется размещением за ними теплоизоляционных материалов. Увеличение несущей способности (устойчивости) производится по системе Попова с помощью тычковых рядов кладки (диафрагм), заходящих в бетон на полкирпича, или отдельных кирпичей, укладываемых тычками в продольных стенках. Система Власова предусматривает устройство поперечных стенок толщиной в полкирпича, перевязанных с продольными стенками с образованием колодцев.
Об эффективности облегченной кладки было известно еще в 50-е годы. В частности, отмечалось, что в условиях несейсмической местности качественное выполнение такой кладки позволяет экономить по сравнению со сплошной кладкой до 43% кирпича и снижать стоимость 1 м3 кладки на 15-25%. Однако для облегченной кладки были установлены и другие ограничения, например непригодность ее для строительства бань, прачечных, цехов с влажным режимом работы и динамическими нагрузками, а также высотой более четырех этажей.
Однако теплосопротивление и устойчивость облегченной кладки могут быть увеличены, если для стенок будут использованы строительные камни (блоки) с технологическими пустотами, в которых устанавливается вертикальная арматура совместно с бетоном. При необходимости арматура размещается аналогичным образом в горизонтальных швах. Подобное увеличение прочности и устойчивости продольных стенок позволяет отказаться от теплопроводных поперечных стенок и диафрагм. Вместо них целесообразно использовать связующие элементы из армированного легкого бетона или гибких пластиков, которые являются составной частью гантелеподобных блоков. Каждый такой блок является сборным и включает в себя два стеновых камня (для наружной и внутренней стенок). Связующий элемент может быть использован для стеллажей, на которые укладываются силовые и слаботочные трубопроводы и кабели Оставшаяся полость заполняется легким бетоном. В результате совместной работы металлических труб и бетона прочность кладки увеличивается. При неравномерной осадке (усадке) применяются гибкие связующие элементы.
Благодаря наличию пазов и выступов на стенообразующих частях усовершенствованного блока кладка изготавливается без строительного раствора (может быть нанесен легкий слой клея). Для отопления помещения предусматриваются нагревательные приборы, вмонтированные в панель, которая занимает место стенообразующей части блока.
В облегченной колодцевой кладке (А.Е. Власов) должны быть поперечные стенки. Их изготовление не только трудоемко, но и вызывает образование мостиков холода. Вместе с тем создание двух стеночек, например с использованием строительного камня Н-образной формы, исключает наличие мостиков холода, даже если между стенками не будет воздушной прослойки. При ее наличии теплосопротивление кладки соответственно увеличивается. Во избежание конденсации водяных паров, идущих из помещения, воздушная прослойка вентилируется. С этой целью в нижней и карнизной частях стены выполняются отверстия. Их площадь зависит от конкретных условий эксплуатации здания. Предполагается, что сообщение вышеуказанных отверстий с атмосферой не ухудшает эксплуатационных свойств ограждения. Связь между стенками может быть осуществлена различными способами, например путем устройства скоб.
В пользу стены такого типа высказывается ряд специалистов. Более экономичной является кладка из полнотелого кирпича с образованием замкнутых воздушных прослоек шириной 5-7 см. В этом случае расход кирпича сокращается на 15-20%, хотя требуется наружная штукатурка стен, препятствующая инфильтрации воздуха через воздушные полости. При заложении их минеральным войлоком тепловая эффективность пустот увеличивается на 30-40%, при заполнении пенопластом - на 200%.
Стремление уменьшить толщину каменной кладки нередко оборачивается привлечением немалых средств на топливо и всякого рода ремонты и утепления. Возьмем, к примеру, бетонные пустотелые блоки размером 39х19х19 см на плотном заполнителе. Они производятся гладкими и рифлеными, серого и других цветов. Наиболее широкое применение эти блоки находят в США, Франции, Италии, то есть в странах, где не бывает больших холодов.
В США указанные блоки имеют стандартный размер 20х20х40 см. Они имеют широкий выбор по цвету (81 цвет) и текстуре. Наличие у них полимерного покрытия дает возможность стенам легко очищаться и не нуждаться в окраске. В Франции их выпускают трех цветов и с тремя типами фактуры. Так же, как и в США, блоки имеют размеры 20х20х40 см.
В Италии пустотелые блоки выпускаются размерами 39,5х19,5х19,5 см. Лицевая грань выполняется гладкой или рифленой различных цветов (черный, красный, желтый, коричневый).
Поскольку пустотелые блоки имеют ограниченную прочность на сжатие, вероятно, целесообразнее изготовить стену из полнотелого кирпича толщиной 25 см и утеплить ее снаружи плитным утеплителем по способу "термошуба", исключающему возникновение мостиков холода по всей поверхности кладки. При этом толщина стены будет меньше в 1,7-2,7 раза. Такой вывод заслуживает внимания, поскольку даже в странах Запада (Германия) рекомендуется к применению строительный блок (заявка № 3444805, МКИЕ04 С1/40; 1/14), внутри которого выполнена теплоизоляция из пенопласта по всей длине параллельно боковым стенкам. При этом между теплоизоляцией и стенками имеются воздушные полости. Такая конструкция блока позволяет возводить стену толщиной в половину блока. Это не только уменьшает расход материалов, но и создает предпосылки для применения эффективных решений по связи блоков на тычках и постельных поверхностях.
Автор настоящей статьи располагает собственными решениями в этой области, которые ждут своего применения. Создание непрерывного изоляционного слоя, исключающего появление мостиков холода по всей поверхности ограждения, составляет основу новых технических решений, применяемых при использовании штучных элементов. Они во многом обладают свойствами трехслойных панелей; кроме того, они могут быть изготовлены по прогрессивным технологиям на высокопроизводительном оборудовании. При этом возможно наращивание объемов производства без значительных капвложений, чего нельзя сказать о крупнопанельном производстве, требующем дорогостоящих стальных форм.
Николай МЕЛЬНИКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 49 за 1997 год в рубрике материалы и технолгии
