Эффективные конструктивные системы и адекватные им материалы в современном строительстве

Применяемые в современном строительстве эффективные конструктивные системы позволяют более рационально использовать известные стройматериалы и минимизировать затраты при создании новых, высококачественных. Это достигается благодаря более полному использованию тех свойств материалов, которыми они обладают в наибольшей степени.

Разнообразие видов теплоизоляционных материалов связано с эффективностью их производства и применения. Например, минераловатное производство в Беларуси (БССР) основывалось на использовании вторичного сырья (доменные шлаки). Не случайно изделия имели поначалу название шлаковата и шлаковатные плиты на синтетической (фенольной) связке. Ассортимент минераловатных плит включал изделия марок 75-200. Себестоимость производства была на 1/3 ниже, чем у теплоизоляционных плит из пенопласта полистирольного (на 1 м 3).

Поскольку основной эффект теплоизоляции достигается за счет мелких закрытых пор (с воздухом, другим газом или вакуумом), то изделия могут иметь волокнистую, ячеистую, мелкопористую, рыхлую, зернистую микроструктуры. Естественно, эти материалы имеют высокие показатели по паро- и воздухопроницаемости. Соответственно качество их оценивается по способности не поглощать и не конденсировать водяные пары. В увеличенном (набухшем) материале молекулы воды разрушают (расклеивают) микроструктурные частицы (волокна). Чередование набухания и высушивания вызывает знакопеременные напряжения, ухудшающие прочностные свойства. А если происходит замораживание-оттаивание, то процесс разрушения происходит еще быстрее.

Еще хуже обстоит дело с теми теплоизоляционными материалами, у которых скорость насыщения влагой выше, чем скорость высыхания. Способность поглощения водяных паров зависит, как отмечают исследователи, от удельной поверхности, состава и вида твердой фазы, объема и характера распределения микропор, технологии изготовления и др. Например, при приготовлении смеси ячеистого бетона плотностью 700 кг/м 3 изменение соотношения известково-песчаного вяжущего, количества портландцемента, молотого песка поглощение водяных паров бетоном увеличивается в 1,8 раза (влажность воздуха внутри помещения 60%). Разумеется, повышение влажности воздуха внутри помещения увеличивает и показатель поглощения водяных паров бетоном. Очевидно, это свойство материалов должно учитываться при расчете теплосопротивления ограждающих конструкций, поскольку вероятность водонасыщения сравнительно велика.

Еще в прошлом десятилетии в печати нередко можно было встретить мнение, что в наших условиях для строительства более эффективен строительный кирпич. Предполагалось, что техническое перевооружение и модернизация позволят значительно повысить технический уровень производства кирпича и снизить его себестоимость. Это, в свою очередь, сделает возможным переход от железобетонных стеновых панелей к более экономичным крупным кирпичным панелям и блокам заводского изготовления. Прогнозировалась также и новая конструкция стен, по толщине вдвое меньшая по сравнению с кирпичной кладкой. Она состоит из двух стеновых панелей с прослойкой из эффективного утеплителя посредине. Ожидалась, что такой подход увеличит конкурентоспособность кирпичного строительства в условиях массовой застройки за счет повышения комфортности (улучшения медико-биологических и гигиенических условий внутри помещения), экономичности и архитектурной выразительности (за счет разнообразия планировочных и эстетических решений). В качестве примера приводился опыт применения строительного кирпича за рубежом. В частности, в США толщина кирпичных наружных стен колеблется от 10 до 30 см и рассчитывается исходя из огнестойкости здания, а теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства обеспечиваются за счет применения легкого минераловатного утеплителя и гипсокартонной плиты повышенной прочности, являющейся и внутренней штукатуркой.

В пользу расширения применения кирпича приводятся такие свойства, как высокая прочность, огнестойкость, отсутствие усадки и образования трещин. По-видимому, имелся в виду зарубежный кирпич, марка которого может составлять 800 (керамический кирпич). Следует отметить, что в Беларуси в середине 80-х годов силикатный кирпич (камень) был на 65% дешевле железобетона (из расчета на 1 м 3), керамический кирпич соответственно на 30%. Вероятно, эффективное производство кирпичных панелей в тот период имело определенные основания.

Следует также учесть, когда приводится в пример зарубежный опыт, то нередко упускается из виду одна важная деталь - наличие в помещении механической вентиляции, поскольку если влагообмен с наружной средой осуществляется через наружное ограждение, то многие эффективные конструкции становятся непригодными или их доработка требует значительных затрат. В противном случае пониженная температура в сочетании с хорошей паропроницаемостью и воздухопроницаемостью станет причиной сильного переувлажнения стены и снижения ее теплозащитных и эксплуатационных свойств.

Наличие эффективной сбалансированной вентиляции с утилизацией тепла при удалении загрязненного воздуха позволяет широко использовать в наружном ограждении эффективный кирпич с высоким процентом пустотности, поскольку защита конструкций от теплопотерь требуется, главным образом, снаружи. Оштукатуривание такой кирпичной стены делает ее важным фактором обеспечения теплозащиты здания. Если говорить о долговечности облицовки из штучных материалов, например, из кирпича, то следует использовать такие материалы, которые имеют повышенную морозостойкость (измеряемую сотнями циклов замораживания-оттаивания), обеспечение водонепроницаемости швов кладки и способность строительного раствора выдерживать необходимое количество циклов замораживания-оттаивания. Использование для облицовки плиткой различных клеящих либо вяжущих веществ сопряжено с определенным риском, поскольку старение полимеров, проникновение влаги, несоответствие коэффициентов температурного расширения не позволяют считать подобные решения обеспечивающими надежность на длительный период.

В высотных зданиях, а также расположенных в престижных районах города, по-видимому, целесообразнее использовать облицовочные материалы, крепление которых можно осуществить главным образом с помощью крепежных элементов (анкеров-дюбелей). Этим самым осуществляется и реализация идеи применения в строительстве крупноразмерных облицовочных плит. Например, в странах с климатом, схожим с белорусским, нашли применение фиброцементные плиты с декоративным покрытием в виде присыпки каменной крошки различных фракций. Площадь этих плит составляет 3-3,6м 2.

За рубежом нередко в качестве декоративной облицовки по верху утеплителя используются плоские или волнистые окрашенные по массе асбестоцементные листы или штампованный алюминий.

В силу естественных условий эксплуатации отапливаемых зданий теплый (более влажный) воздух поднимается вверх, на верхние этажи, и поддерживает в помещениях более высокую влажность воздуха, чем это ожидалось при проектировании ограждения. В результате количество влаги от конденсации в наружном слое стены оказывается больше допустимого уровня. Естественно, срок эксплуатации облицовки в таких условиях заметно сокращается. Специалисты, исследовавшие эту проблему, пришли к выводу, что для наружных стен лучше использовать полнотелый керамический кирпич пластического прессования, как более пригодный для эксплуатации в неблагоприятных условиях.

Поскольку стена из полнотелого кирпича не отвечает требованиям теплосопротивления в наших климатических условиях, то неизбежно применение таких конструкций и технологий облицовки, которые бы в большей степени отвечали требованиям теплосопротивления, архитектурной выразительности и долговечности.

Если принять срок эксплуатации здания равный 100 годам и более, то за это время облицовка по способу "мокрый фасад" поменяется примерно 4 раза. Соответственно стоимость этого мероприятия будет составлять около 100 у. е./м 2.

Стоимость работ по утеплению указанного здания по "сухому способу" с выполнением фасада "на относе" находится в пределах 50 у. е./м 2. Таким образом, если данный способ утепления и выполнения фасада обеспечивают продолжительность их эксплуатации в течение 100 лет и более без ремонтов, то экономия в результате этого составит 50 у. е./м 2.

Могут ли современные бетонные облицовочные материалы найти применение при изготовлении фасада "на относе"? Оптимизм вселяет способность бетона быть "управляемым" при придании ему тех или иных свойств. Например, напрягающий, мелкозернистый и легкий бетоны могут иметь марку по морозостойкости F=500.

Чтобы этот облицовочный материал или конструкция могли найти широкое применение, они должны длительное время сохранять цвет и конкурировать по стоимости с другими облицовочными изделиями. В связи с этим заслуживает внимания изучение возможностей снижения затрат при подборе состава бетона. Поскольку наиболее дорогостоящими являются вяжущие, то способ производства связывают с их экономным расходованием.

Традиционно считалось, что уменьшение расхода цемента связано с удачно подобранным зерновым составом заполнителей, поскольку в бетонной смеси вяжущее тесто расходуется на обволакивание поверхности зерен заполнителя и промежутков (пустот) между ними. Естественно, чем больше удельная поверхность заполнителей, тем больше расходуется вяжущего (цемента). Например, удельная поверхность смеси зерен крупностью 10-20 мм в 1 м 3 абсолютного объема заполнителя составляет 400 м 2, для зерен 2,5-5 мм - 600 м 2, 0,05-0,16 мм - 160 000 м 2 (межзерновые пустоты в крупном заполнителе заполняются цементно-песчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен).

Уменьшение расхода цемента становится возможным еще и тогда, когда пространство между зернами заполнителя оптимально с точки зрения заполнения достаточным количеством цементно-песчаного раствора и, с другой стороны, чтобы бетонная смесь не расслаивалась и была удобоукладываемой. Подбор заполнителя в таких случаях осуществляется с применением набора сит (10 единиц) с ячейками диаметром от 70 до 0,16 мм. Граница между мелким и крупным заполнителем проходит по зерну - 5мм. Соответственно для мелкого заполнителя применяются сита с ячейками от 5 до 0,16 мм, а для крупного - от 70 до 5 мм. При этом улучшение удобоукладываемости, однородности структуры и стабильности заданных свойств в разных направлениях связаны с применением заполнителей с округлой или кубовидной формой зерен. Кроме того, для бетона лучше использовать крупные и средние пески (2-3 мм).

Необходимо учитывать, что увеличение расхода цемента вызовет увеличение прочности бетона. Только для полного набора ее потребуются годы и даже десятилетия. Такое условие не может быть приемлемым для товаропроизводителей. Набор прочности даже в течение 28 дней считается длительным. Ускорение гидратации цемента можно добиться путем ввода достаточного количества воды. Однако технология производства бетона не позволяет в короткие сроки провести гидратацию цемента и удалить излишнюю влагу. В результате несвязанная вода ухудшает его эксплуатационные свойства, например, за счет увеличения усадки и релаксации напряжений. Более выгодно уменьшение потребления цемента и воды при ускорении твердения бетона, обеспечивающем экономическую эффективность его товарного производства.

Следует также учитывать, что чем выше марка цемента и прочность заполнителей, тем выше марка бетона. В ряде случаев при подборе состава бетона пользуются следующим критерием. Марка цемента превышает марку бетона в 1,25-2 раза, а прочность заполнителей соответственно, в 2-3 раза. Из этого следует, что чем выше марка цемента, тем меньше норма его расхода.

Это свойство позволяет вводить в бетонную смесь тонкомолотые добавки, например, золы ТЭС, шлаки, золошлаковые смеси, которые компенсирует недостаток цемента по массе (объему) и улучшают свойства бетона.

Последствия излишнего внесения цемента и воды в бетонную смесь постоянно напоминают о себе в виде повышения усадки, снижения морозостойкости, прочности и трещиностойкости. Например, развитие усадки начинается снаружи и постепенно, по мере высыхания, распространяется вглубь, вызывая нередко растрескивание поверхности при быстром испарении влаги. Когда в смесь вводится несколько больше воды, чем требуется для полной гидратации цемента в надежде, что при тепловой обработке излишняя вода будет удалена в виде расширяющейся паровоздушной смеси и пара, то в результате повышается пористость бетона. В атмосферных условиях поры заполняются водой от дождя или за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха. При низких температурах вода превращается в кристаллики льда, оказывающие сильное давление на внутренние структуры. В результате происходящих там разрушений наблюдается потеря массы бетона и уменьшение его прочностных свойств. Снижению расхода воды при затворении бетонной смеси способствуют пластифицирующие и водоудерживающие добавки. Например, пластифицирующие добавки увеличивают подвижность смеси без снижения прочности бетона. В ряде стран (США, Германия, Япония и др.) уже к концу 60-х годов снижение расхода тепло- и электроэнергии, экономия цемента, повышение производительности труда на предприятиях стройиндустрии связывались с использованием добавок при приготовлении бетонной смеси. На этот период, по некоторым данным, около 70% от производимого бетона включало различные добавки, позволяющие улучшить все свойства бетонных смесей и бетонных конструкций с одновременным улучшением экономических показателей.

В РБ, как и в ряде других постсоветских республик, также ведется работа в этом направлении. Многие из указанных добавок ввозятся из-за рубежа и стоят немалых денег, что сказывается на росте себестоимости строительной продукции.

Еще в 60-е гг. песчаный (мелкозернистый) бетон прогнозно относился специалистами к одному из перспективных материалов благодаря возможности использования местных песков, добыча которых обходится почти на порядок дешевле, чем крупных заполнителей.

Проводимые исследования и эксперименты свидетельствовали, что высокие формовочные свойства песчано-цементной смеси, а также положительные показатели многих технических и механических свойств обеспечивают этому строительному материалу эффективное применение, а имеющие место при обычном способе формования недостатки (повышенный расход цемента, усадка и ползучесть) устраняются путем внесения добавок и применения специальной технологии формования.

Для изготовления песчаного бетона могут быть использованы следующие материалы: вяжущее вещество, природные пески (в том числе кварцевый) с модулем крупности 2 и менее, порообразующие и пластифицирующие добавки, вода, а при необходимости - и добавки, регулирующие сроки схватывания и твердения. Для замещения вяжущего в бетонную смесь вводятся тонкомолотые и пылевидные кремнеземистые добавки. Кроме того, могут быть использованы отходы, экономящие цемент и улучшающие качественные характеристики бетона, среди них - кирпичный бой, зола ТЭС, молотый гранулированный шлак и другие с удельной поверхностью не менее 2600 см 2/г. При автоклавном твердении марка бетона может быть в 2,5 раза выше, чем при обычном пропаривании.

Согласно имеющимся данным, при замене крупного заполнителя песком в производстве изделий и конструкций для жилищного, промышленного и дорожного строительства было достигнуто снижение себестоимости на 20 - 40%.

Песчаный (мелкозернистый) бетон находит эффективное применение при облицовке жилых и общественных зданий, особенно цоколей и первых этажей, а также подпорных стен, парапетов. Согласно нормативным документам, основными видами изделий из песчаного поризованного бетона являются: наружные ограждающие конструкции в виде мелких и крупных блоков, стеновые панели и плиты перекрытия, черепица, элементы каркаса, лестничных маршей и площадок, фундаментных блоков, свай, балконных плит, карнизов.

Необходимо отметить, что эффективное производство бетонных (железобетонных) изделий и конструкций в немалой степени зависит от наличия на ранке необходимых видов цементов, например, высокомарочных, позволяющих уменьшить нормы расхода в бетонной смеси, быстротвердеющих, гидрофобных, пластифицированных.

В современном строительном производстве они должны обеспечить изготовление высокоморозостойких бетонных изделий, выделение большого количества теплоэнергии при химической реакции с водой, ускорить твердение бетона. Возникает вопрос, могут ли действующие цементные заводы полностью решить проблему обеспечения цементами с различными свойствами?

Возможность менять в условиях производства минералогический состав клинкеров позволяет изготовлять на их основе цементы с разнообразными свойствами, регулируемыми добавками. Однако нельзя не учитывать тот факт, что создание запасов цементов как на заводе, так и у потребителей может обернуться убытками, поскольку не исключаются перерывы или снижение объемов строительного производства по разным причинам, а также уменьшение покупательского спроса из-за высоких цен. Кроме того, для организации производства различных видов цемента требуются гарантии постоянного спроса на них и значительные капвложения. В этих условиях цементным заводам, по-видимому, выгодней реализовывать клинкер, а крупным потребителям цемента организовать у себя помольный участок. В результате на заводах снизится риск затоваривания быстро теряющим качество цементом, а строительное производство будет обеспечено необходимыми видами цементов, что благоприятно скажется на повышении эксплуатационных свойств бетона и экономном расходовании вяжущего.

Николай МЕЛЬНИКОВ