Легкий бетон: настоящее и будущее

Ознакомление со строительством в Древнем Риме показывает, что природные пористые заполнители вулканического происхождения (пемза, туф, шлак) почти повсеместно использовались при возведении величественных зданий и акведуков того времени. И хотя на морском побережье в изобилии можно было брать природные плотные песок и гравий, римляне выбирали пористые заполнители.

Для возведения бетонной пристани в морском порту Коса в 273 г. до н.э. римские строители в 40 км от берега разрабатывали залежи вулканической породы и на мулах перевозили пористый заполнитель на стройку. В 300 км от Везувия римляне добывали и доставляли на кораблях вулканический пепел, который смешивали с известковым раствором, чтобы построить это морское бетонное сооружение. Оно прослужило более 2000 лет, служит и по сей день.

Римский Колизей и многие здания в древней Армении строились с использованием пористых пород вулканического происхождения, как и большинство ранних сооружений из бетона, возводимых в Греции и на о. Крит. Легкий бетон с природным пористым заполнителем (или, как называют его европейцы, бетон низкой плотности) сослужил хорошую службу древним, его используют и сейчас на восточных средиземноморских островах, на восточном побережье России и в Австралии.

В других регионах мира сейчас широко применяют искусственные пористые заполнители из сланца, глины, металлургических шлаков и золы-уноса тепловых электростанций и продуктов переработки техногенных отходов других видов. Они используются в производстве легких бетонов, изделий и конструкций различных видов для зданий и инженерных сооружений.

Представляем вниманию читателей обзор данных по производству и применению пористых заполнителей и легких бетонов в различных странах мира. Обзор составлен авторами по состоянию на 1 июня 2005 г. на основании данных литературных источников, а также результатов опроса специалистов крупных строительных компаний.

США

Институт вспученного сланца, глины и кремнистого сланца (ESCSI) был создан в 1952 г. и ведет всестороннюю отчетную документацию по производству пористых заполнителей в США и Канаде. В 1955 г. в этих странах, по данным FIP и ESCSI, производилось пористых заполнителей на базе переработки вспученных глин и глинистых сланцев 1,7 млн. м³, а в 2003 г. - 5,6 млн. м³.

Из объема 2003 г. 36% продукции использовалось в производстве штучного стенового материала, 16% - товарного бетона, 23% - сборного преднапряженного железобетона, 7% - асфальтобетона, 3% -в геотехническом строительстве и 15% - на другие нужды. Это соотношение оставалось практически неизменным последние десятилетия, что указывает на важность области производства стеновых элементов из легких бетонов для строительства в США и Канаде. Следует отметить, что крупный пористый заполнитель имеет довольно высокую насыпную плотность γ_n = 500-700 кг/ м³, поэтому его используют в основном для конструкционных легких бетонов.

Для производства зольного гравия в США построили 10 заводов. Однако на сегодняшний день ни один из них не работает, производство прекращено через несколько месяцев после пуска в эксплуатацию из-за существенных финансовых потерь.

На установках нескольких металлургических предприятий в США и Канаде производят заполнитель из вспученных и диспергированных доменных шлаков по технологии, разработанной фирмой National Slag (г. Хамилтон, пров. Онтарио). Объем производства такого заполнителя, называемого «pelletized slag», в США и Канаде составляет менее 1 млн. м³. При этом большая часть продукции используется для производства штучных стеновых материалов. Кроме того, бетон на основе этого вида заполнителя используется последние два десятилетия в несущих стенах и преднапряженных перекрытиях при строительстве высотных зданий, а также в пролетных строениях мостов.

В США несколько заводов производят заполнитель на основе холодно-связанной золы-уноса (безобжиговый зольный гравий). Однако объемы производства ограничены в связи с расширяющимся применением золы-уноса в качестве компонента вяжущего для цемента.

Европа

В странах Европы пористые заполнители производят в основном из глин и глинистых сланцев. Диапазон насыпной плотности заполнителей довольно значителен (у„ = = 300-800 кг/ м). На заполнителе с плотностью близкой к нижней границе этого диапазона получают и применяют бетон для наружных стен с требуемыми для данных климатических условий теплозащитными свойствами; на заполнителе с плотностью близкой к верхнему диапазону получают высокопрочный легкий бетон.

Обычно используют глины юрского периода, содержащие морские микроорганизмы. При нагреве до 1200 °С выделяется двуокись углерода, образуя пористую структуру материала. Поризованная структура сохраняется после охлаждения частиц заполнителя. Методом рассчитанного нагрева до требуемой температуры за определенный период времени и при возможном внесении различных добавок достигается нужная плотность гранул заполнителя.

Эта технология была впервые разработана фирмой LECA® в Дании в 1939 г. В настоящее время в странах Бенилюкса, Дании, Финляндии, Италии, Норвегии, Португалии и Швеции производится несколько миллионов кубометров такого заполнителя в год. Последние два десятилетия производится высококачественный пористый заполнитель типа керамзита в Испании. Этот заполнитель (торговая марка «Arlit») с γ_n = 300-350 кг/ м³ высококонкурентоспособен не только на испанском, но и на общем рынке стран ЕЭС.

В Германии отрасль производства керамзита быстро развивалась в течение нескольких десятилетий. При этом диапазон плотности заполнителя был намного больше, чем в Северной Америке и Англии. Такой результат был достигнут за счет деятельности одной компании, которая, разработав керамзит с таким широким диапазоном плотности, продемонстрировала, как эту продукцию можно эффективно инкорпорировать в строительные системы, где используются и крупноразмерные несущие конструкции, и очень легкие штучные стеновые элементы.

Первая коммерческая фирма по производству заполнителя из вспученной глины была основана в Германии в 1935 г. С 1967 г. крупная немецкая фирма Rhobach Technologies производит заполнитель этого вида с γ_n = 325-800 кг/м³. Этот продукт продается под торговой маркой LIAPOR®.

К 1975 г. шесть заводов в Европе по производству заполнителя LIAPOR® имели производительность более 1,5 млн. м³.

Для полного использования плотности заполнителя в нижней части спектра фирма Rhobach Technologies разработала специальные бетонные блоки и сборные строительные элементы более крупного размера. В 2004 г. мощности заводов фирмы в Германии, Австрии и Чешской Республике составили 1,5 млн. м³ пористого заполнителя в год. В плане конечного использования различной продукции этой фирмы в 2004 г. 55% пошло на штучные стеновые материалы, 20% на Производство сборных армированных элементов, 5% на производство товарного бетона, 15% на геотехническое строительство и 5% на прочие нужды, например на загрузку фильтров, устройство озеленения на крышах домов и гидропонику.

В последние десять лет отрасль легкого бетона активно развивается в странах Скандинавии, особенно в Норвегии. Крупномасштабное промышленное производство пористых заполнителей из вспученных глин и сланцев работает с 1953 г. Последние два десятилетия такие заполнители, выпускаемые фирмой Norsk Leca, успешно используются в высокопрочных легких бетонах классов по прочности на сжатие В30-В60, применяемых в строительстве мостов и морских гидротехнических сооружений.

В настоящее время в Швеции, Норвегии, Финляндии резко возрос спрос на высококачественный мелкофракционный (фракций 4-8 мм) керамзит для производства щелевых стеновых блоков методом полусухого вибропрессования.

Объемы производства таких блоков составляют соответственно 800, 600 и 400 тыс. м в год, что довольно значительно для населения этих стран (8 млн. человек, 5 млн. человек и 5 млн. человек соответственно). Планируется в перспективе увеличение объемов производства блоков данного вида. Недостаток в заполнителях в этих странах намерены покрывать экспортом керамзита из Белоруссии и России. Ранее керамзит в Скандинавию экспортировался только из США.

В странах Западной Европы явно обозначилась тенденция к увеличению доли производства пористых заполнителей на базе переработки техногенных отходов. В настоящее время, по приближенным данным, эта доля составляет не менее 15%, достигая в отдельных странах 25-30%.

Так, в отличие от США в странах Европы изготовляется обжиговый зольный гравий. При относительно высоких значениях ун = 700-800 кг/м³ он используется в основном для конструкционного легкого бетона. Производство зольного гравия началось в Англии в 1960 г., в Германии в 1973 г. и в Нидерландах в 1973 г.

Во Франции с 1985 г. производится пористый гравиеподобный заполнитель из доменных шлаков по технологии, близкой к канадской технологии производства «pelletized slag». Торговая марка заполнителя «GALLEX». Объем производства достиг, по данным fib, 300 тыс. м³/год.

В Англии несколько фирм пытались организовать производство пористых заполнителей из глины, глинистого и кремнистого сланцев по технологии, близкой к той, что используется фирмами Leca, Aglite в Европе. Однако в финансовом плане фирмы потерпели неудачу. Лишь зольный гравий (торговая марка LITAG®), получаемый из спекшейся летучей золы, производится уже длительное время в объеме 550 тыс. м³/год.

Легкий бетон на основе LITAG® классов по прочности на сжатие В15-В60 и даже выше при плотности от 1600 до 2000 кг/м³ высокоэффективно применяется в обычных железобетонных и предварительно напряженных конструкциях различных видов. Результаты испытаний бетонов показывают существенно более высокую водо- и газонепроницаемость, стойкость к проникновению хлоридов в сравнении с равнопрочным тяжелым бетоном. В последнее время на основе LITAG® получены легкие бетоны прочностью на сжатие до 100 МПа.

На основании успешного опыта применения легких бетонов на основе LITAG® в пролетных строениях мостов, в строительстве высотных зданий, в различного рода инженерных сооружениях сделаны выводы о перспективах существенного расширения производства этого эффективного вида заполнителя.

Предприятия по переработке золы-уноса в заполнители типа L1TAG® действуют в настоящее время в Германии, Польше, Болгарии, Чешской Республике.

В странах континентальной Европы расширяется производство пористого заполнителя из вспученного стекла. Считается, что это самая рациональная утилизация стеклобоя. Так, в Германии в 2004 г. создана так называемая система стеновой кладки с высокими теплозащитными свойствами («Poraform wall system») с использованием в блоках легкого бетона на основе гранулированного пористого стекла. Плотность бетона в блоках γ_o = 500 кг/м³ при λ_о = 0,11 Вт/м°С и очень низком водопоглощении (всего 2% по объему). При таких характеристиках стеновая кладка толщиной 37,5 см вполне удовлетворяет теплотехническим требованиям, действующим в Германии.

Россия и страны СНГ

Максимальный выпуск пористых заполнителей в странах бывшего СССР был достигнут в 1989 г. - 52,25 млн. м³ заполнителей в год, из них в России -27,7 млн. м³, в т.ч. 24 млн. м³ керамзита. В СССР работали более 400 предприятий по производству керамзита, в основном с вращающимися печами.

Вяжущие для теплоизоляционных и конструкционно - теплоизоляционных бетонов
Вид и марка вяжущего	λоцк в сухом состоянии, Вт/м°С
Портландцемент Вольский М500	0,655-0,720
Портландцемент Белогородский М400	0,570-0,720
Портландцемент Старо-Оскольский М400	0,545-0,595
Портландцемент Пикалевский М400	0,575-0,620
Шлакопортландцемент Липецкий М500	0,490-0,525
Шлакопортландцемент Старо-Оскольский активированный пластифицированный Rа = 50,0 МПа	0,450-0,470
Малоклинкерное композиционное вяжущее на доменном граншлаке Vцк = 30%+С-З, Rа = 40,0 МПа на доменном граншлаке Vцк= 50%+С-З, Rа = 50,0 МПа на вулканическом туфе Vцк = 60%+С-З, Rа = 50,0 МПа на бокситовом шламе Vцк= 60%, Rа = 40,0 МПа	0,390-0,410 0,420-0,440 0,420-0,430 0,440-0,460
Шлакощелочное вяжущее на жидком стекле	0,395-0,440

В 1994 г. в России было изготовлено только 70% пористых заполнителей для легких бетонов (в основном керамзит и шлаковая пемза) от выпуска 1989 г. Следующие 1995 и 1996 годы стали переломными в строительстве, особенно в жилищном и гражданском, в связи с выходом постановления Минстроя России, направленного на повышение уровня тепловой защиты зданий с целью экономии энергии на их отопление.

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций увеличилось практически в 3 раза. В этих условиях производимые ранее для полносборных зданий однослойные наружные стеновые панели из легких бетонов (в основном керамзитобетона и шлакопемзобетона классов по прочности на сжатие В3,5-В7,5) не удовлетворяли требованиям по теплозащите при технически и экономически целесообразной толщине. Необходимо было разработать новые технологии, обеспечивающие производство в промышленных масштабах керамзитового гравия с пониженной до γ_o = 250-300 кг/ м³ плотностью при сохранении его прочности на сжатие в цилиндре не менее соответственно Run=1,5-2,0 МПа. Для этого требовались проведение крупных НИР по совершенствованию технологии и значительная реконструкция практически всех предприятий по производству керамзита. То же относилось и к производству шлаковой пемзы. Это на тот момент времени было нереально.

В связи с этим было принято решение о снятии с производства однослойных ограждающих конструкций из конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов. С 1996 г. на предприятиях стройиндустрии России начался массовый переход на производство трехслойных стеновых панелей с наружными слоями из армированного тяжелого бетона, внутренним слоем из плитного утеплителя (минераловатные плиты или плитный пенополистирол) и со связями различных видов.

Стеновые панели такого типа обладают рядом существенных недостатков: они ненадежны в эксплуатации вследствие недостаточной долговечности плитного утеплителя, у них низкая теплотехническая однородность. Несмотря на эти недостатки, большинство из которых стали явными особенно в последнее время, объем производства таких конструкций продолжал и, к сожалению, продолжает увеличиваться.

В результате потребность в пористых заполнителях в строительном комплексе России резко уменьшилась. В настоящее время их производится не более 30% от выпуска 1989 г., т.е., по приближенным оценкам, не более 8 млн. м³/год.

В настоящее время структура применения пористых заполнителей в России изменилась. Так керамзитовый гравий с у„ = = 400-500 кг/м³ применяется в основном для производства стеновых блоков и теплоизоляционных плит из крупнопористого или беспесчаного конструкционно-теплоизоляционного бетона. При плотности в сухом состоянии такого бетона уо = 800-900 кг/ м³ и классе по прочности на сжатие В2,5-В3,5 (М35-М50) расчетная толщина многощелевых стеновых блоков, аналогичных производимым вибропрессованием американской фирмой Besser, составляет для различных климатических регионов от 50 до 80 см. Такие изделия применяются, главным образом, в коттеджном и малоэтажном строительстве.

Существенно более высококонкурентоспособным и широко востребованным материалом для ограждающих конструкций жилых зданий стал разработанный НИИЖБ модифицированный теплоизоляционный полистиролбетон.

Так, для сборных ограждающих конструкций, выполняемых в основном в виде стеновой кладки из блоков и перемычек или в виде комплексных покрытий с теплоизоляционными плитами, разработан и широко используется модифицированный полистиролбетон (МПБ) на вяжущих различных видов. Основные технические свойства МПБ для сборных изделий и конструкций: γ_o = 250-350 кг/ м; коэффициент теплопроводности при использовании шлакопортландцемента (ШПЦ)λ_о = 0,070-0,090 Вт/м°С, малоклинкерного композиционного вяжущего (МКВ)λ_о = 0,057-0,074 Вт/м°С; марки по морозостойкости - F100-F200, усадка при использовании -1,0-1,5 мм/м.

Большой спрос на стеновые и теплоизоляционные изделия из МПБ обусловлен существенными его преимуществами в сравнении с штучными изделиями из традиционных ячеистых бетонов (газосиликат, пенобетон). Расчетная толщина блоков из МПБ в 1,5-2 раза меньше: она составляет для условий большинства климатических регионов России (при количестве градусо-суток до 9000) от 25 до 50 см.

Еще более эффективен для применения в ограждающих конструкциях с высокими теплозащитными свойствами монолитный полистиролбетон с высокопоризованной и пластифицированной матрицей (МПВМ). В частности, более высокая теплотехническая эффективность его в наружных стенах обусловлена, во-первых, меньшей возможной плотностью и, следовательно, теплопроводностью, т.к. здесь не требуется регламентирование прочности монолитной теплоизоляции; во-вторых, отсутствием швов из относительно высокотеплопроводного (λ_о = 0,52-0,58 Вт/м°С) цементно-песчаного раствора в стеновой кладке, которые уменьшают на 20-30% сопротивление теплопередаче стены. Монолитный полистиролбетон применяется при возведении самонесущих наружных стен каркасных зданий в несъемной опалубке различных видов, выполняющей одновременно в фасадах защитно-декоративные функции, или для утепления плит покрытий. При уо МПВМ от 150 кг/м³ (для стен коттеджей и малоэтажных зданий) и до 250 кг/м³ (для стен многоэтажных зданий) величина λ_о составляет всего от 0,055 до 0,075 Вт/м°С. Высокопоризованные (объем воздухововлечения до 30%) и практически не расслаивающиеся полистиролбетонные смеси изготовляются непосредственно на строящемся объекте, транспортируются бетононасосами и укладываются в опалубку без виброуплотнения с помощью специальной мобильной установки.

Модифицированный полистиролбетон изготовляется на базе в основном отечественных сырьевых материалов в сборном и монолитном вариантах и при использовании только отечественного технологического оборудования. В настоящее время он применяется в более чем двадцати крупнейших регионах страны. Особенно широко и в значительных объемах - в регионах Урала, Сибири, Севера России и Дальнего Востока.

Следует отметить одно весьма важное направление в области совершенствования технологии особо легких теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных бетонов - разработку специально для таких бетонов широкой номенклатуры малоклинкерных и бесклинкерных вяжущих, низкотеплопроводных и низкосорбционноактивных, на основе химически взаимосочетаемых техногенных отходов и продуктов их переработки.

Такие исследования с использованием в качестве активных компонентов вяжущих - продуктов переработки металлургических шлаков и шламов различных видов, высококальциевых зол и шлаков тепловых электростанций, вулканических пород - были начаты около 20 лет назад в НИИЖБ с участием НИИСФ и продолжаются в настоящее время. Получены композиционные вяжущие, у которых в затвердевшем состоянии коэффициент теплопроводности ниже на 30-40%, сорбционная влажность ниже на 35-50%, а усадка меньше почти в 1,5 раза в сравнении с портландцементным камнем при равной активности вяжущего. Востребованность в них особенно возросла в связи с резким подорожанием стоимости цемента в 2004-2005 гг.

В последние 5-10 лет НИИЖБ разработаны и успешно используются в монолитных и сборно-монолитных несущих каркасах зданий модифицированные конструкционные легкие бетоны на пористых заполнителях различных видов классов по прочности на сжатие от В15 (М200) до В50 (М600 вкл.) при γ_o = 1200-1900 кг/ м³, в т.ч. из высокоподвижных (осадка конуса до 25 см) бетонных смесей.

Немаловажно отметить, что конструкционный легкий бетон сейчас является объектом широкого сотрудничества в рамках многих международных организаций (СЕВ-FIP, RILEM и др.). Проблемной группой TG 8.1 Международной федерации по бетону и железобетону CEB-FIP (fib) в 2000 г. разработаны рекомендации по проектированию и применению несущих конструкций из легких бетонов классов по прочности до В80 вкл.

Особое внимание уделяется так называемому High Performance Concrete. Легкий бетон такого типа классов по прочности на сжатие до В50 вкл., высокой морозостойкости (до F1500 и выше) и особо низкой проницаемости (до W20 и выше) разработан при использовании пористых шлаковых заполнителей. Из такого бетона на предприятиях стройиндустрии г. Липецка изготовлены и более 10 лет успешно эксплуатируются панели безрулонной кровли жилых зданий, лотки крыши, бордюрные камни. В Самарском ГТУ и в МГСУ разработан керамзитобетон класса по прочности на сжатие В40, из которого изготовляются высоконапорные виброгидропрессованные трубы.

С целью совершенствования технологии производства основного вида пористых заполнителей в России - керамзитового гравия - Самарским государственным архитектурно-строительным университетом и МГСУ проводятся с учетом результатов большого объема соответствующих исследований, выполненных ранее (в 70-80-х гг.) институтом НИИКерамзит, работы, направленные:

• на снижение насыпной плотности крупного заполнителя до 250-300 кг/м³ без снижения прочности; при использовании принципиально новых видов сырья (цеолитов, аморфно-кремнистых породи др.) взамен истощенной сырьевой базы хорошо вспучивающихся глин;
• на получение высокопрочного керамзита (с R_u > 8,0 МПа при γ_n < 700 кг/м³) за счет рационального выбора сырья с оптимальным химико-минералогическим, вещественным и фазовым составами и за счет введения в сырьевую шихту комплекса минеральных добавок (например, апатит, оксид магния из магнезита и доломита, перлит и др.);
• на снижение энергоемкости и себестоимости производства керамзита за счет использования различных композитов на основе техногенных отходов; так, помимо традиционных органических, железистых, аморфизированных отходов (шлаков, зол, отходов углеобогащения) оказались эффективны в использовании щелочесодержащие отходы, отходы водоочистных сооружений, асбестоцементной промышленности и др.

Многие из этих разработок успешно проверены в последнее время на предприятиях стройиндустрии центральных регионов Европейской части России.

Вышеизложенное показывает, что имеются все предпосылки для развития начавшегося после трудного переходного периода процесса подъема в России легкобетонного строительства, причем на существенно более высокий качественный уровень.

Достижение таких высоких показателей по W и F конструкционных легких бетонов обусловлено во многом особенностями формирующейся контактной зоны. Плотная контактная зона способствует получению высокопрочных (классов до В80 вкл.) легких бетонов при использовании соответствующих высокопрочных (марки по прочности П300 и выше) пористых заполнителей. Реальность решения такой задачи подтверждают результаты последних (2004-2005 гг.) исследований НИИЖБ, выполненных с участием НИИСФ: на основе керамзита фр. 5-10 мм с Ru = = 8,5-8,8 МПа получен бетон с прочностью до 90,0 МПа при γ_o = 1800-1850 кг/м³. При этом смеси были высокоподвижные (осадка конуса 25-26 см) и практически самоуплотняющиеся.

Вопрос производства отечественных высокопрочных пористых заполнителей, как и особо легких низкотеплопроводных, решается в настоящее время в России путем соответствующего совершенствования технологии их производства с использованием разработанного классификационного подхода (с учетом конкретного назначения).