Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Сущность и преимущества железобетона и камня

20.12.2018

В ходе многовекового совершенствования зданий и сооружений, конструкций, строительных материалов, методов расчета, технологий, с учетом оценки цикла жизни зданий, специалисты и потребители выбрали в качестве основных строительных материалов два, близкие по свойствам материала, наиболее приемлемые с разных точек зрения (наличие запасов исходного сырья в природе, технологичность, прочность, долговечность, стойкость к разнообразным внешним воздействиям, стоимость, и др.): вначале — естественный камень, затем — искусственный камень с арматурой (железобетон).

Естественный камень используется много веков, железобетону в начале XX века исполнилось 150 лет с момента его официального изобретения (1850 г.). Материалы, используемые в жизни человека, в том числе в строительстве, во многом определяли развитие общества: так, один из длительных периодов жизни человечества носит название «каменный век». В течение многих столетий камень был одним из основных строительных материалов; он использовался, например, при возведении сохранившихся до сих пор древних пирамид и храмов (рис. 1.1). Широко использующаяся во многих странах древесина не обладала необходимой прочностью, стойкостью к агрессивным воздействиям, и долговечностью. Сначала для каменных конструкций использовали природный камень, затем стали применять кирпич-сырец и обожженный кирпич. Каменные конструкции долго были единственными долговечными конструкциями из природных материалов. Хотя железобетон — сравнительно новый материал, именно он сейчас является основным строительным материалом в мире. Ежегодное производство бетона в мире превышает 2 млрд. м3, что больше производства любых других видов промышленной продукции. Как бывает всегда после изобретения нового материала, его пробовали использовать в самых разных конструкциях — от лодки до паровоза, от кадки для цветов до самолета. В ходе технического отбора ряд областей его применения не был реализован, но, например, железобетонные (армоцементные) суда успешно строятся и эксплуатируются до сих пор.

He являясь возобновимыми и самыми экологическими материалами (например, по сравнению с деревом), камень и железобетон обладают рядом преимуществ, способствовавших их широкому применению. Среди них можно отметить большие запасы исходных материалов (естественного камня, глины для керамических изделий, сырья для получения цемента, песка, щебня и гравия, железа для производства арматуры). Далее необходимо подчеркнуть наибольшую по сравнению с другими материалами стойкость к внешним воздействиям — силовым, температурным, агрессивным, и др. Особо нужно отметить высокую прочность железобетона и камня, что позволяет создавать здания и инженерные сооружения с большими высотами и пролетами, успешно решать проблемы возведения новых сооружений в необычных условиях — например, платформ для разведки и добычи нефти и газа на шельфе, больших подземных сооружений.

Очень важным является свойство бетона и камня практически не выделять вредные воздействия в окружающую среду. Интересен большой диапазон свойств материалов, позволяющий применять их в самых разнообразных конструкциях — от высокопрочных высотных сооружений до жаростойких ограждающих конструкций, от кислотостойких сооружений до легких теплоизолирующих конструкций. Для энергосбережения важна повышенная масса стен, дающая возможность использовать ее при пассивном солнечном отоплении и охлаждении.

Эти конструкции имеют недостатки: повышенная доля собственного веса во внешней нагрузке (конструкции имеют значительную собственную массу), сложность разборки и вторичного использования после исчерпания срока эксплуатации, сложность изготовления (потребности в затратах энергии, в опалубке для бетона, и др.). При этом и натуральный камень, и искусственный камень имеют общий крупный недостаток: низкую прочность на растяжение. Поэтому их не применяют в изгибаемых элементах, или применяют при малых пролетах. Для использования бетона в изгибаемых элементах в растянутые зоны вводят арматуру, хорошо работающую на растяжение. Ее применяют также для усиления сжатой зоны. Арматура стала органичной частью железобетона, так как она одинаково хорошо работает на растяжение и сжатие, и, кроме того, имеет близкое к бетону значение коэффициента температурного линейного расширения (разница в этих коэффициентах начинает сказываться только при очень высоких температурах); бетон эффективно защищает расположенную внутри арматуру от ряда воздействий — агрессивных сред, высоких температур. Железобетон стал одним из первых композитов, в которых свойства материалов благоприятно дополняют друг друга. Аналогично (но реже) стальную арматуру используют и в каменных конструкциях.

Бетон имеет еще один недостаток: по мере существенного роста прочности на сжатие для более высоких классов бетона не наблюдается такого же роста прочности на растяжение — он замедляется и вообще прекращается. Для резкого повышения трещиностойкости и жесткости железобетонных элементов арматуру напрягают с помощью приложения внешнего усилия, или путем самонапряжения бетона. Наряду с этим разрабатываются специальные виды бетона с высокой трещиностойкостью.

Естественный камень добывают путем пиления в карьерах из горных пород — известняка, доломита, базальта, песчаника, туфа, гранита и пр. Искусственный камень для каменных конструкций изготовляют в виде разных видов керамики (обычного и пустотелого глиняного кирпича, и др.), пустотелых керамических блоков, тяжелого и легкого бетона. Бетон состоит из цементной матрицы (затворенного цемента), крупного (щебень, гравий, и др.) и мелкого (различные виды песка) заполнителя, ряда добавок, улучшающих его удобоукладываемость, повышающих сопротивление замерзанию, и пр. Для армирования используют стальную арматуру в виде стержней, канатов, пучков, фибр, стеклопластиковую арматуру (недавно стали применять фибры, пленки и арматуру из высокопрочного углепластика). Из железобетона возводят множество ответственных объектов — от защитных оболочек АЭС до подземных зданий, от телевизионных башен до гидротехнических сооружений, от многоэтажных зданий до труб. Отечественный и мировой опыт подтверждает ведущую роль железобетонных конструкций в строительстве. Самые известные, отмеченные премиями здания и сооружения, построенные в разных странах за последние десятилетия, выполнены в железобетоне. Это, например, железобетонная оболочка оперного театра в Сиднее, напоминающая паруса или раковины; высотные здания, мосты, телебашни, культовые сооружения и пр. (рис. 1.2). В развитых странах на одного жителя затрачивается в год до 2 м3 железобетона; в России этот показатель пока в 2 раза ниже.

Издавна в строительстве применяется сборный и монолитный железобетон. Они конкурируют между собой: так, в жилищном строительстве РФ сейчас стали широко использовать монолитный железобетон наряду со сборным. Сборный железобетон будет в перспективе применяться в строительстве жилых и общественных зданий, в изготовлении многих сборных изделий — труб, шпал, свай, опор, мелких блоков, плитки, и т.д. Монолитный железобетон будет использоваться при возведении многоэтажных зданий, в подземном строительстве, в гидротехнических сооружениях, в сооружениях на шельфе, в автомобильных дорогах. При этом можно отметить, что объемы строительства новых производственных зданий в ближайшие годы пока будут малы; будут расти объемы строительства малоэтажных и многоэтажных монолитных жилых зданий. Возрастет реконструкция существующих объектов, наряду с ростом требований к улучшению теплофизических характеристик ограждающих конструкций с целью сокращения затрат на отопление. Будет привлечено внимание к проблемам экологизации объектов.

Несмотря на то, что в разных исследовательских организациях мира выполнены многочисленные исследования железобетонных и каменных конструкций при разных нагрузках, и на то, что из железобетона и камня построено множество самых разнообразных зданий и инженерных сооружений, эксплуатирующихся много лет в условиях различных воздействий (в том числе сейсмических, агрессивных, и пр.), пока не созданы строгие адекватные методы расчета, учитывающие действительную сложную работу конструкций, в том числе совместно с фундаментом и основанием. Возможно, такие методы и не будут созданы, учитывая вероятностный характер многих воздействий, свойств материалов, условий эксплуатации. Поэтому методы расчета и конструирования частично носят эмпирический характер, в расчетах используются эмпирические коэффициенты.

Методы расчета, в том числе машинные, постоянно совершенствуются; с целью выявления действительного напряженно-деформированного состояния конструкций при разных воздействиях проводятся исследования, разрабатываются новые конструкции и методы расчета. Растет прочность материалов, постоянно расширяется область применения железобетона, растут размеры новых зданий — так, высота железобетонных зданий уже превысила 800 м (ОАЭ), проектируются здания высотой более 1 км (Япония, Китай). В России также проектируют и возводят высокие здания: в центре Москвы возведено здание «Башня на набережной» высотой 58 этажей, возводятся дома высотой 60 этажей (около 200 м). Из железобетона строят новые конструкции глубоководных платформ для добычи нефти и газа на шельфе: эти платформы должны противостоять многим необычным силовым и агрессивным воздействиям волн, льда, морской воды.

Широкое применение железобетона в строительстве объясняется не только большими запасами сырья для изготовления вяжущих и заполнителей. Велика роль рационального использования промышленных отходов (зол, шлаков и др.) в качестве сырья для бетонов; снижения плотности бетона за счет применения пористых заполнителей и поризации структуры бетона; снижения энергоемкости технологических процессов изготовления железобетонных конструкций; роста прочности арматуры и применения высокопрочной стали; возможности регулирования свойств бетона путем применения модификаторов; совместимости с другими конструктивными и отделочными материалами; повышенной огнестойкости и долговечности; удовлетворения требований архитектуры.

Производство бетона почти не дает вредных для окружающей среды отходов, оно может быть безотходным, тогда как для производства одной тонны стали необходимо переработать 20 т руды, 19 из которых идут в отходы. 80% бетона по массе составляют щебень и песок. Значительную часть этих материалов заменяют отходами других отраслей (зола, шлаки, и пр.), используемых и для производства исходных материалов (цемента, заполнителей, добавок), и для приготовления бетона. При производстве бетона используют отходы металлургии, камнепиления, деревообработки, сельского хозяйства, переработанные отходы строительства. Применение золы ТЭЦ позволяет сократить расход цемента, уменьшить плотность бетона, повысить теплозащитные свойства конструкций.

Трудами выдающихся отечественных ученых и специалистов были заложены основы отечественной строительной науки о бетоне и железобетоне (см. введение). В ходе исследований возрастают и улучшаются физико-механические свойства бетонов — прочность, жесткость, долговечность, плотность, выносливость, коррозионная стойкость и др., снижается энергоемкость и сроки твердения, повышается однородность структуры, увеличиваются объемы использования отходов — зол и шлаков. Растет число видов бетонов, среди них есть легкие, ячеистые, напрягающие, водонепроницаемые, полимерные, кислотостойкие, жаропрочные, радиоизолирующие и радиопроницаемые, серные, и прочие бетоны. Одновременно совершенствуются свойства и номенклатура стальной стержневой и проволочной арматуры, используется дисперсное армирование из стальных, стеклянных, полимерных и базальтовых фибр. Созданы высокотехнологичные многокомпонентные бетоны с высокой прочностью, долговечностью, и др. Получены новые системы, содержащие гомогенно распределенные ультрамалые частицы, включающие специально подготовленные цементы, микрокремнезем, заполнители и микроволокна, которые за счет специальных технологических приемов позволяют достичь прочности бетона 270 МПа. Совершенствование бетона и железобетона будет развиваться по трем направлениям:

1. Развитие теории железобетона с учетом действительной работы (напряженно-деформированного состояния) конструкций, новых материалов, конструктивных решений и технологий, совершенствования оценки надежности и живучести при динамических, знакопеременных и особых воздействиях. Широкое применение адекватных машинных методов расчета. Учет совместного деформирования зданий, фундаментов и оснований.

2. Совершенствование применяемых конструктивных решений и разработка новых решений вновь возводимых и реконструируемых объектов с использованием эффективных материалов и технологий при условии сохранения окружающей среды. Сочетание механического метода предварительного напряжения монолитных и сборных конструкций с натяжением арматуры на бетон с использованием напрягающего цемента. Разработка эффективного смешанного армирования обычных и предварительно напряженных конструкций, исследование конструкций из высокопрочного бетона и определение области их применения. Совершенствование армирования железобетонных конструкций путем применения высокопрочной углепластиковой дисперсной или пленочной арматуры.

3. Совершенствование технологии приготовления, формования и уплотнения бетонных смесей, механизации арматурных работ. Ожидается прогресс в направлении использования большеразмерных 3D — принтеров для возведения стен и перекрытий зданий с помощью печатающей головки, способной послойно экструдировать бетон с отвердителем (рис. 1.3). Создание экологических и безопасных способов транспортирования и уплотнения бетонных смесей на стройплощадке и в заводских условиях, совершенствование различных способов ускорения твердения бетона. Совершенствование непрерывного контроля качества на всех этапах проектирования, изготовления, возведения и эксплуатации конструкций.

Преимущества и недостатки каменных конструкций во многом аналогичны преимуществам и недостаткам железобетона. К преимуществам относят наличие больших запасов исходного сырья, простоту изготовления, возможность применения местных материалов, долговечность, огнестойкость, относительно высокую прочность, влаго-, морозо- и химическую стойкость, к недостаткам — значительные трудовые и энергетические затраты на изготовление и возведение, большую массу и высокую теплопроводность. Сейчас искусственный и естественный камень широко используют при строительстве зданий различного назначения (чаще всего малоэтажных, но в качестве декоративно-защитного наружного слоя камень применяют и в многоэтажных зданиях). Из камня делают фундаменты, стены, колонны зданий, подпорные стены, водонапорные башни, дымовые трубы, и другие элементы зданий и сооружений. Применяют камень природного происхождения из горных пород — известняков, доломитов, песчаников, гранита, туфа и др. Крупные блоки из искусственного камня изготавливают бетонными, силикатными, керамическими. По назначению их подразделяют на фундаментные, для стен подвалов, цоколей, внутренних и наружных стен. Бетонные блоки для наружных стен изготавливают чаще всего из легкого бетона, ячеистого и на пористых заполнителях. Для стен подвалов блоки выполняют, как правило, из тяжелого бетона. Применение крупных блоков из кирпича и керамических камней позволяет снижать трудозатраты до 15 % по сравнению с обычной кладкой. Блоки из силикатного бетона не рекомендуется применять в помещениях, где относительная влажность воздуха превышает 75 %, так как в этом случае снижается прочность бетона.

Аналогично росту числа видов бетона, растет число видов искусственного камня для кладки, так как этот камень часто изготовляют из новых видов облегченного бетона. Разработано множество пустотелых блоков, каждый из которых заменяет не менее 8—10 обычных кирпичей (рис. 1.4). Пустоты в этих блоках оставляют при кладке незаполненными, или заранее заполняют легким утеплителем, или выполняют железобетонные колонны внутри пустот при расположении пустот друг над другом. Наряду с пустотелыми блоками изготовляют полнотелые блоки для стен из пенополистиролбетона (бетона с добавкой множества гранул пенополистирола), из легкого пенобетона, пеносиликата, и т.д. В качестве наружного защитно-декоративного слоя используют колотый камень, расколотая поверхность которого отличается высокими декоративными свойствами (например, при введении в камень в качестве заполнителя мраморной крошки, которая хорошо видна на поверхности раскола). Типы искусственных камней для кладки постоянно совершенствуются. Так, разработаны пустотелые поризованные керамические блоки размерами 510-253-219 мм. Стена толщиной 655 мм из пустотелых поризованных керамических блоков с облицовкой из лицевого кирпича отвечает требованиям новых норм, без синтетического утепления.

Дальнейшее развитие каменных конструкций пойдет по пути разработки и внедрения новых эффективных материалов и изделий из кирпича и крупных керамических изделий, крупных блоков из легких и ячеистых бетонов. Необходимо создание новых материалов и изделий, которые позволили бы строить стены в виде однослойных конструкций. В 2000 г. Россия — самая холодная страна мира — перешла на новые нормы обеспечения теплозащитных свойств наружных стен, направленные на сокращение затрат на отопление, на которое расходуется до 40 % добываемых углеводородов. Теплозащитные свойства наружных стен при этом возросли почти в 3 раза, что для однослойных стен могло вызвать соответствующий недопустимый с разных точек зрения (экономической, архитектурно-планировочной, прочностной) рост толщины. Поэтому многие однослойные конструкции наружных стен (из кирпича и камня, из различных легких бетонов) стали с начала XXI века трехслойными, с внутренним слоем эффективного утеплителя — экструзионного и блочного пенополистирола, минеральной ваты, и др., имеющих высокие теплозащитные характеристики. Ho проблема создания новых трехслойных долговечных и ремонтопригодных наружных стен до конца не решена: срок службы эффективного утеплителя (предполагается около 50 лет) ниже, чем бетона и камня (намного более 100 лет), поэтому будет требоваться его периодическая замена, которая в современных конструктивных решениях пока практически не осуществима. Нужны более ремонтопригодные конструкции наружных стен зданий из железобетона и камня без внутреннего слоя утеплителя; в перспективе так же необходимо создание легко разбираемых и вторично используемых железобетонных и каменных конструкций. Наружные стены должны стать однослойными из эффективных блоков.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: