В мировом строительстве доминирует монолитный бетон

Отчего многие годы монолитный способ возведения зданий не мог соперничать со сборным строительством? Потому, что он уступал по двум важнейшим показателям — трудозатратам и срокам возведения. Проблемой, и довольно существенной, являлось ведение бетонных работ в зимний период. Интерес к монолитному строительству начал значительно расти с переходом строительного комплекса на рыночные отношения. И это понятно: новый метод позволил существенно улучшить объемно-планировочные решения квартир, предложил потребителям более разнообразное и комфортное жилье.

Появились разработки, которые дают возможность строить монолитные жилые дома с показателями, сопоставимыми с аналогичными при использовании сборного бетона. Ежегодное производство бетона для монолитного строительства в мире — это более полутора миллиардов кубометров. По объему производства и применения монолитный бетон значительно опережает другие виды строительных материалов. Показатель применения его составляет в США 0,75; в Японии — 1,2; в Германии — 0,8; в Италии — 1,1; во Франции — 0,5; в Израиле — 2,0. Для сравнения: в Турции — 0,35, в России — 0,15-0,2.

На изготовление бетона для монолитного строительства расходуется более половины мирового производства цемента. В монолитном исполнении возводятся промышленные и жилые здания, объекты соцкульта, плотины, энергетические комплексы, телебашни. Самые высокие здания на всех континентах имеют монолитный железобетонный каркас. В США построено более 100 небоскребов с монолитным каркасом, и бетон уверенно вытесняет сталь из этой области строительства. В Москве из восьми высоток сталинского периода три имеют монолитный железобетонный каркас. Разработана программа строительства в Москве 60 высотных зданий, в том числе небоскребов, в основном, в монолитном железобетоне.
Годовой объем производства монолитного бетона и железобетона в России, по оценкам специалистов, составляет 20-30 млн м3. В среднем расход на 1 м2 общей площади этажей составляет 0,4-0,7 м3 бетона, стали — 20-70 кг в зависимости от конструктивной схемы, прочностных характеристик материалов, действующих нагрузок и других факторов.

Особенно эффективно выглядят в монолитном железобетоне телевизионные башни. В построенной 20 лет назад Останкинской башне при высоте 537 метров железобетонная часть составляет 380 метров. Башня прошла испытание пожаром два года назад. Несмотря на то, что 70 процентов напрягаемых канатов разрушилось, она устояла, что свидетельствует о высоких строительно-технических свойствах монолитного железобетона.
Технология монолитного строительства имеет в своем активе выдающиеся достижения. В результате применения скользящей опалубки в Норвегии при бетонировании кессона нефтедобывающей платформы периметр одновременно бетонируемых стен и диафрагмы суммарно достигал 2 км.
Скользящая опалубка одномоментно перемещалась с помощью 1000 гидравлических домкратов. Современные самоподъемные опалубки позволяют менять угол наклона стен.
Например, в Диснейленде во Флориде при бетонировании стен здания солнечных часов угол их наклона менялся от 11 до 5 градусов. Если наклон Пизанской башни равен 6 градусам, то наклон стены выставочного павильона на выставке “Экспо-92” в Севилье составил 15 градусов.
При выполнении высокоточных бетонных работ с помощью самоподъемной опалубки на строительстве небоскреба высотой около 200 метров во Франкфурте проемы в монолитных стенах выполнялись с допуском 5 мм. Периметр наружных стен здания в плане составлял 210 м. Темп бетонирования — 8 дней на один этаж. Качество поверхностей стен после смены опалубки позволяло выполнять отделочные работы без дополнительной доводки (затирки).

Достаточно широкое применение монолитный бетон находит и в малоэтажном строительстве. Например, опалубочные системы французской компании “Утинорд” позволяют бригаде из 7 человек бетонировать ежедневно одну блок-секцию на две квириты трех-четырехэтажного типового дома.
Хорошие перспективы у несъемной опалубки из пенополистирола. Ее собирают насухо с применением связей между наружным и внутренним слоями из отдельных блоков толщиной 7-10 см нескольких типоразмеров. После затвердевания бетона, залитого внутрь, снаружи такая стена штукатурится полимерным раствором по сеткам из стекловолокна или цементным раствором по стальной сетке.
У монолитного бетона ряд преимуществ перед металлом при использовании в каркасах высотных зданий. Прежде всего это более эффективная диссипация (рассеивание) энергии колебания зданий при ветровых нагрузках. Следующее преимущество — в том, что поперечные сечения ядер могут иметь большие площади, что обеспечивает существенное повышение моментов сопротивления и соответственно незначительную деформативность таких зданий.

При возведении монолитных высотных зданий наиболее распространенными являются системы с ядрами (стволами) жесткости в центре плана. Обычно в ядре жесткости находятся лифтовые шахты. Нередко вместо ядра жесткости по периметру плана здания бетонируется пространственный контур-оболочка, работающий совместно с дисками перекрытий и расположенными внутри колоннами, воспринимающими в основном вертикальную нагрузку. Так, горизонтальные отклонения верха здания относительно высоты обычно не превышают 1/1000. А с разработкой высокоподвижных высокопрочных бетонов подача материала на высоту может вестись с применением бетононасосов, что намного эффективней крановых операций, неизбежных при монтаже стальных конструкций. Для таких зданий применяется бетон высокой прочности. В Далласе, США, при возведении 58-этажного административного здания “Ту Юнион Сквер” в колоннах использован бетон (цилиндрически) прочностью 133 МПа, что в пересчете на кубиковую прочность равно примерно 160 МПа. В итоге расход стали уменьшен более чем в 2 раза и на 30% снижена стоимость. Обычно на практике для этих целей применяется бетон прочностью 60 МПа и выше.
Зарубежное строительство — это высокая культура работы с бетоном. К примеру, при строительстве небоскреба “Уотер Тауэр” в Чикаго (74 этажа) применено 24 состава бетонной смеси, различных в зависимости от высоты участка. Для ствола жесткости и колонн каркаса наружных стен с 1 по 25 этаж использовали бетон прочностью 62 МПа. В междуэтажных перекрытиях применили легкий бетон прочностью 45, 38 и 34 МПа. Это позволило на 26% снизить нагрузку от собственного веса, уменьшить глубину заложения фундамента, получить ощутимый экономический эффект.

Здание нефтяной компании “Петронас” в Куала-Лумпуре — небоскреб. Выполнен он в виде двух рядом стоящих башен, которые соединены посередине стальным мостиком. Каждая башня круглого очертания в плане по периметру имеет 16 железобетонных колонн диаметром 2,4 м каждая, связанных в уровне каждого этажа кольцевыми баками, образуя внешний несущий каркас. Перекрытия монолитные и по стальному профилированному настилу опираются на кольцевые балки и ствол жесткости по центру сечения. Полная высота сооружения от основания свайного фундамента до верхней точки телеантенны на крыше — 582 м. Бетонирование велось в переставной опалубке с помощью бетононасосов.
Укладку значительных объемов бетона производят, как правило, с помощью мощных бетононасосов. В Германии их доля при укладке монолитного бетона составляет 35%, в Швеции — 55%, высота стрелы крупных автобетононасосов достигает 60 м, а производительность — 150 м в час и более. Есть и мировой рекорд подачи бетонной смеси на высоту — 500 метров — насос фирмы Putzmeister в итальянских Альпах. При возведении небоскребов Петронас высота подачи смеси составила 432 метра. Мировой рекорд перекачки бетона по горизонтали превышает 2 км.
Более 100 млн м2 монолитных перекрытий с натяжением арматуры на бетон построено за последние годы в США, далее следует Канада.
Предварительно напряженная арматура в монолитных перекрытиях железобетонных конструкций начинает приниматься без сцепления с окружающим бетоном. Чтобы защитить арматурные элементы (канаты) от коррозии, их помещают в специальные оболочки, заполненные антикоррозийным составом. В России таких перекрытий пока нет.

Было время, когда американские специалисты изучали возможность строительства станций из бетона на Луне. Исследования показали: бетон на заполнителе из лунного грунта является полноценным строительным материалом и обладает прочностью на сжатие 78 МПа. Обычный же бетон того же состава — 56 МПа. Динамический модуль — соответственно 21200 и 28100 МПа, прочность на растяжение — 9,4 и 9,6 МПа. Специалисты сделали вывод, что бетон для строительства станций на Луне предпочтительнее, чем другие материалы из-за высокой радионепроницаемости, и, главное, почти все компоненты для его приготовления могут быть изысканы на месте, в том числе произведен и цемент. К примеру, чтобы соорудить круглое трехэтажное здание диаметром 62 метра, потребуется 1,5 тысячи тонн цемента. Воду можно получить соединением водорода, извлекаемого из некоторых минералов Луны, и кислорода, доставляемого с Земли. Для получения необходимых материалов на строительство этого здания с Земли потребуется доставить всего 55 тонн кислорода.

Однако расширение строительства монолитных зданий связано со следующими проблемами:
— опасность возникновения технологических трещин в конструкциях от температурно-усадочных деформаций бетона в процессе его твердения, что зависит от состава бетона, условий твердения и размеров участков бетонирования конструкций;
— нужна надежная оценка прочности твердеющего бетона в момент распалубки и передачи нагрузки от вышележащих элементов на конструкции, в которых бетон не достиг проектной мощности;
— необходимость разработки расчетных правил по установлению допустимой промежуточной прочности бетона при снятии и перестановке опалубки по этажам для различных видов монолитных конструкций (перекрытий, стен, колонн) с точки зрения обеспечения трещиностойкости и прочности конструкций во время возведения монолитного здания, а также включение в план производства работ мероприятий по ускорению набора прочности бетоном;
— требуется эффективный контроль качества монолитных конструкций.

Между тем, испытания монолитных конструкций пробным нагружением довольно сложны, а контроль прочности бетона по образцам недостаточен, особенно в зимнее время. Центр тяжести контроля прочности необходимо перенести на неразрушающие методы. То есть возведение здания должно сопровождаться серьезным мониторингом для обеспечения его надежности и безопасной последующей эксплуатации.
В настоящее время в Европе идет процесс создания единой нормативной базы для стран — членов ЕС. В области строительства в работе находится около 200 документов, из них по бетону, железобетону и составляющим материалам включая методы испытания — более ста.
По мнению многих специалистов, для климатических условий России чрезмерное увлечение монолитом не очень рационально. За рубежом же интерес к сборному строительству из железобетона не слабеет, а, наоборот, усиливается.