Новые перспективы ячеистых бетонов

     В настоящее время ячеистые бетоны переживает второе рождение благодаря разработке технологии производства легких бетонов с вариатропным строением. Предлагаемая статья - о характерных особенностях и перспективах использования такого рода газобетонов и пенобетонов.

Столетний, но не устаревший

     Ячеистый бетон - сравнительно новый материал; если кирпичу 3000 лет, то ему не более 100. Это искусственный камень, способный плавать в воде, отвечающий всем требованиям нормативных документов, предъявляемых к строительным материалам по прочности, деформативности, морозостойкости. Его теплозащитные свойства в 2-3 раза выше, чем у кирпича. Стена из этого материала "дышит", создавая в помещении идеальный микроклимат, особенно полезный для тех, кто страдает от легочных, сердечно-сосудистых и суставных заболеваний. К тому же бетон, в отличие от древесины, не горит и не гниет. Все эти положительные стороны ячеистого бетона высоко ценятся в мировой строительной практике. Например, в Швеции до 80 процентов всех сооружений выполняются из этого эффективного материала.

     Известны два вида этого материала: газобетон и пенобетон. Ячеистый бетон - дешевый местный материал, ему трудно было пробиться на рынок в условиях затратного механизма прежней экономики, когда приветствовалось "осваивание миллионов рублей". Тем не менее, в Советском Союзе работало около 100 крупных заводов, выпускавших стеновые блоки и панели, плиты покрытий и перекрытий из ячеистого бетона (сейчас многие из этих заводов оказались за рубежом - в Белоруссии, Украине, Прибалтике). В России последние годы характеризуются новым всплеском интереса к ячеистому бетону. Это обусловлено двумя причинами: ужесточением норм в отношении требований теплозащиты строительных элементов и новыми достижениями в технологии и конструировании ячеистобетонных изделий.

Теплозащита:

     Согласно Изменению N 3 СНиП 11-3-79, принятому еще в 1995 году, требуемое сопротивление теплопередаче к 2000 году увеличивается в 3-4 раза. Если в средней полосе России толщина кирпичной стены составляла 64 см, то по современным нормам она должна быть более двух метров, что совершенно неприемлемо и по материальным затратам, и по трудоемкости возведения стены, и по транспортным расходам, и, наконец, по имеющейся на сегодня производительности кирпичных заводов. Аналогичным образом возросли требования теплозащиты покрытий, чердачных и цокольных перекрытий.

     Именно ячеистый бетон способен обеспечить требуемую теплозащиту при толщине стены 40-60 см. Вес одного квадратного метра такой стены может быть менее 300 кг, что в три раза меньше веса одного квадратного метра кирпичной стены толщиной в 64 см. Соответственно, меньше и трудозатраты, и транспортные расходы. Ячеистый бетон решает и проблему индустриализации строительства, поскольку из него можно делать крупноразмерные изделия - стеновые панели, плиты покрытий и перекрытий.

Плотность

     Важной характеристикой ячеистого бетона является его плотность, то есть масса одного кубического метра материала, которая может составлять от 200 до 1200 кг/куб. м. Чаще всего для изготовления конструктивных элементов используют бетон плотностью 600-700 кг/куб. м. Чем плотность ниже, тем лучше теплозащита, тем меньше расход материальных, трудовых и энергетических ресурсов. Однако нельзя забывать и о факторе, препятствующем снижению плотности: существует закономерность - чем выше пористость (чем ниже плотность) материала, тем меньше его прочность. Для ячеистого бетона эта зависимость - кубическая, то есть снижение плотности в два раза приводит к падению прочности в восемь раз.

     Прочность ячеистому бетону необходима для восприятия им расчетных нагрузок, она регламентируется нормативной и технической документацией в зависимости от вида и назначения изделия. Возможны случаи, когда снижению плотности препятствуют, помимо прочности, и другие факторы. 
При сравнительно малых расчетных нагрузках, например, в стене одно- или двухэтажного коттеджа, плотность ячеистого бетона, по условиям прочности, могла бы быть и более низкой, но ее невозможно уменьшить из-за недопустимо снижающейся твердости бетона. В других случаях препятствием на пути уменьшения плотности оказывается снижающаяся морозостойкость или недопустимо возрастающая воздухопроницаемость (последнее особо важно для районов с сильными ветрами, например, для Приморского края). И в этом случае возникает вопрос защиты изделий из ячеистого бетона от внешних воздействий.

Защита из тяжелого бетона не оправдалась

     На заре развития крупнопанельного домостроения пытались делать двухслойные стеновые панели, в которых ячеистый бетон был защищен слоем тяжелого бетона, однако вскоре от этого отказались по следующим причинам:  функционально для защиты панели из ячеистого бетона достаточно было слоя тяжелого бетона толщиной 1-2 см, но технологически трудно было выполнить слой менее 4-5 см, панель получалась излишне тяжелой и материалоемкой;

  •  производство таких защищенных панелей требовало создания двух технологических линий - для тяжелого и для ячеистого бетона, панели фактически дважды формовались, что недопустимо увеличивало трудозатраты;
  • слои бетона характеризовались разной усадкой, они имели разные коэффициенты температурного расширения и паропроницаемости, что приводило к появлению внутренних напряжений в панели;
  • между слоями была резкая граница, что приводило к концентрации напряжений;
  • вследствие разной паропроницаемости слоев на границе между ними конденсировалась влага, которая зимой превращалась в лед с увеличением объема; в результате чего панель расслаивалась.

А если армирование?

     Для исключения перечисленных недостатков необходимо было создать защитный слой из того же материала, что и основной материал изделия - с требуемой прочностью, твердостью, морозостойкостью, паро- и воздухопроницаемостью. При этом толщина слоя должна быть задаваемой в пределах 0,5-5 см, между слоями не должно быть резкой границы, и все это должно создаваться в пределах одного технологического процесса, на одной линии, без привлечения дополнительных материалов.

     В ряде случаев снижение прочности ячеистого бетона можно компенсировать соответствующим армированием, однако это реально лишь при условии достаточной анкеровки арматурных стержней. Проблема заключается в том, что уменьшение плотности ячеистого бетона до уровня 600 кг/куб. м и ниже приводит к резкому ухудшению анкеровки. В результате расчетный расход арматуры, например плитных изделий, достигает 10-12 кг на один квадратный метр конструкции и катастрофически возрастает с уменьшением плотности ячеистого бетона.

     Для решения этой проблемы разработана система армирования, которая снижает расход стали на 20-40 процентов, и этот расход не возрастает, а уменьшается по мере снижения плотности ячеистого бетона в конструкции. Рассмотрим сначала влияние плотности ячеистого бетона на его коэффициент теплопроводности и требуемую толщину стены. Примем среднее количество градусо-суток отопительного периода равное 6000. При этом требуемое сопротивление теплопередаче стены составит 3,5 кв. м*К/Вт.

Вариатропный вариант - оптимальный

     Стена из ячеистого бетона плотностью 600-700 кг/куб. м может эксплуатироваться и без защитного слоя (в неагрессивной воздушной среде), но при плотности 400 кг/куб. м и ниже защита необходима.

     В идеальном случае плотность ячеистого бетона в поверхностном слое толщиной не менее 0,5-1 см должна быть 700-900 кг/куб. м, при этом обеспечиваются все требуемые показатели - и прочность, и твердость, и морозостойкость, и пр. Далее, по мере приближения к серединному слою стены, плотность должна плавно, по заданному закону, уменьшаться до проектной минимальной на расстоянии 3-5 см от наружной поверхности стены. На внутренней стороне создается другой слой переменной плотности, со своими проектными показателями. При этом между слоями нет резкой границы, отсутствует зона концентрации напряжений и накопления конденсата. Такие изделия называются вариатропными. Технология их изготовления разработана и успешно прошла промышленную проверку на ряде заводов.  
Вариатропное строение целесообразно не только для стен, но и для плитных изделий - покрытий и перекрытий. Оно предпочтительно даже тогда, когда плита не подвергается прямому воздействию агрессивной внешней среды, как, например, плита междуэтажного перекрытия. В конструкции, работающей на изгиб, наиболее нагружены две зоны - сжатая и растянутая. Обе они расположены в поверхностных слоях плиты, а ее центр практически не испытывает серьезных напряжений. В определенной степени это относится и к несущим внутренним перегородкам, работающим на продольный изгиб. Вариатропное строение позволяет повысить несущую способность плиты, уменьшить ее толщину, снизить прогиб под нагрузкой, сократить расход арматуры.     Разработанная система армирования позволяет серьезно уменьшить расход арматурной стали и в однородных (не вариатропных) ячеистобетонных конструкциях. Плита, работающая на поперечный изгиб, может рассматриваться в двух вариантах: либо к ней не предъявляются требования по теплозащите (междуэтажное перекрытие, покрытие неотапливаемого помещения), либо предъявляются (цокольное и чердачное перекрытие. В первом случае плиту будем называть "холодной", а во втором - "теплой". Для теплой плиты назначим среднее значение требуемого сопротивления теплопередаче равное 4,6 м*К/Вт.

     Заданная величина может быть обеспечена двумя путями: либо для выбранной плотности ячеистого бетона вычисляется необходимая толщина плиты, либо толщина назначается по архитектурно-планировочным соображениям, а требуемое сопротивление теплопередаче достигается путем укладки на плиту дополнительной теплоизоляции.

     В качестве дополнительной теплоизоляции могут применяться самые различные материалы - от вспененных полимеров и минераловатных плит (плотностью 40-350 кг/куб. м) до шлаковых или керамзитовых засыпок (плотностью до 800 кг/куб. м). В рассматриваемой разработке использован средний вариант теплоизоляции - ячеистый бетон плотностью 400 кг/куб. м, а толщина слоя утеплителя назначалась такой, чтобы обеспечить требуемую теплозащиту. Вес наносимого утеплителя (с максимальной влажностью 25 процентов) учитывался при расчете плиты на прочность.

     Расчетная нагрузка на плиту (сверх собственного веса) принималась такой, чтобы плита могла работать и в качестве междуэтажного (цокольного) перекрытия, и покрытия, воспринимающего снеговую нагрузку, регламентированную для III снегового района (С.- Петербург, Москва, Тюмень, Челябинск и др.).

     Отказ от теплоизоляции дает дополнительные преимущества: не требуется изготавливать или приобретать теплоизоляционный материал, транспортировать его, укладывать на плиты перекрытия, наносить цементную стяжку и т. д.



Автор: Алексей Чернов, доктор технических наук, заслуженный изобретатель РСФСР

Добавить комментарий