Cостояние производства и перспективы развития легких бетонов на пористых заполнителях в России. Часть 1

Анализ мировой практики строительства показывает, что на современном его этапе все в большей степени растет востребованность в таком универсальном строительном материале, как легкие бетоны на пористых заполнителях. Проф. Я.А. Рекитар, анализируя долговременные тенденции развития производства строительных материалов (журн. “Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века”, №6, 2001 г.), отмечает, что в ведущих зарубежных странах происходит опережающее развитие производства строительных материалов и конструкций, обеспечивающих значительное снижение массы зданий и сооружений. И первостепенную роль здесь играют легкие бетоны.
Ведущее место в общем объеме выпуска пористых заполнителей (около
80 %) в отечественной стройиндустрии пока продолжает занимать высокоэнергоемкий керамзит. Однако можно ожидать, что в складывающихся экономических и экологических условиях в России доля его производства и применения будет значительно уменьшаться (как это имеет место в зарубежных странах). Будут использоваться преимущественно безобжиговые заполнители из побочных продуктов или отходов различных производств (главным образом, крупнотоннажных побочных продуктов металлургии и энергетики). Доля их в общем объеме производства пористых заполнителей в странах Западной Европы составляет около 35%, и проявляется явная тенденция к ее увеличению; в России же – пока только немногим более 7 %.
Основной закон природопользования предопределяет необходимость максимально возможно сохранить ресурсы природных материалов, а для этого существенно сократить или совсем исключить разработку карьеров глинистого сырья для производства керамзита, сократить разработку горных массивов для производства плотного заполнителя при замене его высокопрочным пористым. Следует учитывать весьма хрупкую экологическую обстановку при разработке карьеров (осыпи, обвалы, оползни и др.), а также требуемые часто весьма значительные финансовые расходы на перевозку заполнителей к месту их использования. Последнее особенно характерно для равнинных стран, каковой в основном и является Россия.
В то же время развитие промышленной индустрии создает громадное количество отходов, что угрожает среде обитания человека. Значительная часть техногенных отходов состоит, по данным П.И. Боженова, из шести основных окислов (SiO2, Al2О3, Fе2О3, СаО, МgО и R2О), которые являются, по существу, главными оксидами сырья любой подотрасли промышленности строительных материалов. Наиболее рационально перерабатывать отходы и побочные продукты производств в пористые заполнители для легких бетонов. Для этого имеются и достаточные объемы сырьевых материалов и разработанные эффективные технологии их переработки.
До настоящего времени в отечественной стройиндустрии упор делался на производство пористого малотеплопроводного заполнителя низкой средней плотности для конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов (КТЛБ). Однако средняя насыпная плотность керамзитового гравия достаточно велика (выше 450 кг/м3). Были найдены соответствующие сырьевые материалы, например, некондиционные глины и осадки сточных вод, позволившие получить в МГСУ легкий пористый заполнитель типа керамзита насыпной плотностью 138–200 кг/м3. Имеются и другие технологические разработки МГСУ, позволяющие рационально использовать техногенные отходы и получить, например, достаточно легкий пористый безобжиговый зольный гравий или безобжиговый заполнитель, в центре которого – рыхлое ядро из асбестоцементного шлама с грануляцией на него плотной оболочки из различных вяжущих. Созданы опытно-промышленные технологические линии.
Весьма эффективна и получила признание в мире разработанная НИИЖБ, Уральским институтом металлов, АО НПиИА “Стройпрогресс” при участии Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) экологически безопасная и низкоэнергоемкая технология переработки металлургических шлаков текущего выхода в пористый гравий с остеклованной оболочкой (шлакостеклогранулят – ШСГ). Теплопроводность зерен ШСГ в среднем на 20 % ниже в сравнении с керамзитовым гравием равной плотности; при этом энергозатраты на производство ШСГ ниже почти в 10 раз, а себестоимость меньше примерно в 3 раза. Промышленная установка по производству ШСГ введена в эксплуатацию на НЛМК в 1999 г.
Конструкционные легкие бетоны на пористых заполнителях, за исключением шлакопемзобетона, всегда были дороже равнопрочного тяжелого бетона. Поэтому в отечественной практике использовались преимущественно (85 %) КТЛБ в наружных стенах. Несущие же конструкции из легких бетонов применялись ранее и применяются в настоящее время только в регионах, не располагающих запасами плотных горных пород для заполнителей тяжелого бетона, и в то же время имеющих достаточные запасы местного сырья для производства пористых заполнителей. К таким сырьевым ресурсам, кроме глин и глинистых сланцев, относятся пористые горные породы (известняк-ракушечник, пемза и др.), а также доменные и ферросплавные шлаки текущего выхода. Конструкционный керамзитобетон используется только относительно низких классов по прочности (не выше В15–В20) в связи с ограниченными возможностями производства керамзитового гравия достаточной прочности (выше марки П125).
Наружные стены многие десятилетия были однослойными и применение в них легких бетонов было практически безальтернативно. Однако с вводом в действие Постановления Минстроя России № 18-81 от 11.08.1995 г. об Изм. № 3 СНиП II-3-79* “Строительная теплотехника”, направленного на повышение уровня тепловой защиты зданий, положение с назначением и объемами применения легких бетонов в строительстве коренным образом изменилось. Обусловлено это было тем, что для большинства регионов России расчетная толщина наружных стен жилых и гражданских зданий, удовлетворяющих намного возросшим требованиям по сопротивлению теплопередаче, увеличилась до значений, существенно более экономически целесообразных.
Снижение плотности (соответственно и теплопроводности) КТЛБ, обеспечивающее возможность изготовления однослойной стеновой панели или возведения в монолитном варианте однослойной наружной стены здания с экономически целесообразной толщиной, ограничивается трудностями получения в промышленном масштабе пористого гравия или щебня марки по насыпной плотности 200 и менее и пористого песка марки 500 и менее; последнее делает пока невозможным требуемое для однослойной стены получение КТЛБ марки по средней плотности D700 и ниже при классе по прочности В3,5 и выше.
В результате 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. Эти конструкции даже при лучшем последнем варианте связей – базальтопластиковых, обладают рядом существенных недостатков: они ненадежны в эксплуатации вследствие недостаточной долговечности отечественного плитного утеплителя, низкой теплотехнической однородности и недостаточной обеспеченности теплозащитных свойств во времени. Однако, несмотря на эти недостатки, объем производства таких стеновых конструкций увеличивается. Реальная, успешно апробированная НИИЖБ, альтернатива им будет представлена во второй части данной статьи.
При проектировании конструктивных систем зданий, как вновь строящихся, так и реконструируемых, следует учитывать, что собственная масса несущих конструкций из легких бетонов благодаря их низкой плотности до 1,5 раз, а при использовании в качестве мелкого заполнителя достаточно легких и прочных пористых песков до 2-х раз меньше, чем аналогичных конструкций из тяжелых бетонов. Снижение нагрузок от собственной массы несущих конструкций весьма эффективно при строительстве многоэтажных зданий, где переход от тяжелого бетона к легкому позволяет существенно снизить нагрузки на основания зданий за счет уменьшения их массы и затраты на возведение фундаментов. Это особенно важно для городов-мегаполисов, где переход к многоэтажному строительству диктуется дефицитом застроечной площади, а также наличием значительной площади территорий, подработанных при устройстве многочисленных инженерных коммуникаций. Снижение массы зданий важно и для строительства в сейсмически активных регионах.
Особенно эффективно применение легких бетонов в тех несущих конструкциях, для которых значительную часть нагрузки составляет их собственная масса. Это относится, прежде всего, к пролетным строениям мостов, к оболочкам и к большепролетным плитам покрытий.
Немаловажно отметить, что конструкционный легкий бетон сейчас является объектом широкого сотрудничества в рамках многих международных организаций (CEB-FIP, RILEM и др.). Проблемной группой ТG 8.1 Международной федерации по бетону и железобетону CEB-FIP (fib) в 2000 г. разработаны рекомендации по проектированию несущих конструкций из легких бетонов классов по прочности до В80 как пособие к международному СНиП (Model Code-90) по железобетонным конструкциям.
Особое внимание уделяется так называемому High Performance Concrete – новому (по классификации FIB/CEB) типу легкого бетона “высокой функциональности”. Легкий бетон такого типа классов по прочности на сжатие до В50, высокой морозостойкости (до F1500 и выше) и особо низкой проницаемости (до W20 и выше) разработан в НИИЖБ совместно с ЦНИЛ (г. Липецк) при использовании пористых шлаковых заполнителей. Из такого бетона на предприятиях стройиндустрии ТСО “Липецкстрой” 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 В40, из которого в г. Самаре изготовлены виброгидропрессованные трубы, выдерживающие напор воды до 40 МПа.
Достижение таких высоких показателей по W и F конструкционных легких бетонов обусловлено во многом, как показали исследования МГСУ, ВНИИФТРИ и НИИЖБ, формированием, в отличие от тяжелого бетона, непрерывной плотной, практически без капиллярных пор, контактной зоны матрицы и пористого заполнителя, а также относительно небольшой разницей в величинах КЛТР этих компонентов.
Такая контактная зона способствует получению высокопрочных (классов В30-В80) легких бетонов при использовании соответствующих высокопрочных (марки по прочности П300 и выше), и в то же время достаточно легких пористых заполнителей. Реальность решения такой задачи подтверждает прежний отечественный опыт (Дубровский завод керамзита), а также примеры производства современных зарубежных пористых керамических заполнителей (типа керамзита) в странах Западной Европы, в Японии. Здесь на таких заполнителях, например, на “бервиллите” (Германия) производят бетоны класса В40 при марке по плотности не выше D1500.
Вопрос производства отечественных высокопрочных пористых заполнителей, в т.ч. пористых песков, следует решать путем соответствующего совершенствования технологии производства заполнителей с использованием классификационного подхода. Рекомендуется выпускать искусственные пористые заполнители 3-х (или минимум 2-х) классов по назначению, дифференцированных для каждого их вида по интервалам насыпной плотности и соответствующей прочности.
Применение таких классифицированных пористых заполнителей в комплексе с использованием полифункциональных химических добавок и технологий изготовления бетонов с направленным структурообразованием позволит существенно улучшить основные показатели их эксплуатационного качества, повысить их обеспеченность.