Мелкозернистые бетоны и их применение в строительстве
Москва и область, левобережная Украина, Донбасс и Поволжье, Вологодская и Тюменская области, практически вся европейская территория России (кроме Карелии, Архангельской, Мурманской и Воронежской областей) либо вообще не имеют месторождений крупного заполнителя, либо это месторождения слабых осадочных пород, ограниченно пригоных для производства железобетона.
Добыча камня и переработка его на щебень требуют больших затрат электроэнергии и рабочей силы. Перевозка щебня, потребность которого для производства бетонных и железобетонных изделий свыше 200 млн. м3, составляет около 10 млрд. т в год.
Существен и экологический аспект проблемы использования щебня: его добыча уже привела к необратимым климатическим последствиям на Северном Кавказе, в Поволжье, Карелии. Гораздо проще обеспечить стройки и заводы сборного железобетона песком, который является, как правило, местным строительным материалом. Стоимость изделий из песчаного бетона, и, в первую очередь, для тех районов, где нет месторождений щебня, может быть значительно ниже.
Применение песчаного бетона не только повышает экономическую эффективность строительства, но и обеспечивает другие преимущества: упрощается технологическая схема приготовления бетонной смеси, так как отпадает необходимость в организации складского и сортировочного отделений для приемки, переработки и складирования щебня, уменьшается потребность в электроэнергии и трудозатратах. В отдельных случаях песчаный бетон имеет более высокие физико-механические характеристики и долговечность, что позволяет снизить материалоемкость конструкций и повысить их эксплуатационную надежность. Возможно также использование технологических приемов и составов, неприемлемых для крупнозернистых бетонов: роликовое формование, комплексное цементно-песчаное вяжущее, тощие конструкционные бетоны.
Выполненные в течение последних лет исследования позволили уточнить основные прочностные и деформативные характеристики песчаных бетонов, в том числе и длительные деформации (усадку, линейную и нелинейную ползучесть), а также характеристики, определяющие совместную работу бетона с арматурой (длину зоны анкеровки, шаг и ширину раскрытия трещин и др.). Установлено, что в основном эти характеристики зависят от технологии изготовления песчаных бетонов и, в первую очередь, от удобоукладываемости смесей.
Предложена новая схема классификации материала. В отличие от СНиП 2.01.03-84, предусматривающего разделение мелкозернистых бетонов на три группы в зависимости от модуля крупности песка-заполнителя и способа термообработки (тепловлажностная обработка в камерах и автоклавах), предложенная классификация устанавливает зависимость свойств бетона от технологии изготовления материала (подготовки вяжущего, перемешивания, уплотнения), способов формования конструкций. Основные свойства бетона, установленные в зависимости от технологии изготовления материала по группам, были затем приведены к виду, приемлемому для использования в СНиПе.
Исследование длительных деформаций показало, что если мера ползучести достаточно точно нормирована СНиПом, то в определении деформаций усадки допущена ошибка в сторону занижения, иногда очень значительного. Составлены формулы, позволяющие установить характеристики длительных деформаций в зависимости от состава бетона.
Разработана методика расчета для решения двух задач: выбора наилучшего песка из имеющихся в регионе и схемы классификации песка для получения оптимального фракционного состава. Результаты исследований представлены формулами и номограммами, позволяющими в зависимости от класса бетона и жесткости смесей установить требуемый фракционный состав при рассеве песка по стандартным ситам. При этом за критерий оптимизации принят расход вяжущего. Использование фракционированного песка позволяет сократить расход вяжущего на 80... 140 кг/м3.
Разработаны новые способы проектирования состава песчаных бетонов. Отсутствие в составе цементно-песчаной смеси щебня позволило разработать способ, имеющий характер алгоритма, поскольку число уравнений (зависимость Боломея, уравнение абсолютных объемов и закон постоянства водосодержания) оказалось равным числу неизвестных (расхода цемента, песка и воды). Подбор состава по этому методу представляет собой набор формализованных операций, позволяющий в результате последовательно выполняв мых действий полущить оптимальный результат. Кроме того, он предполагает однократное испытание образцов на прочность и использование смесей, удобоукладываемость которых наилучшим образом соответствует возможностям формующего агрегата.
Известно, что наиболее серьезным препятствием для широкого внедрения мелкозернистого бетона является повышенный до 40 % расход цемента по сравнению с равнопрочными крупнозернистыми бетонами, изготовляемыми из смесей с одинаковой удобоукладываемостью.
Систематизированы существующие приемы экономии цемента, базирующиеся на использовании особо- и сверхжестких смесей, комплексных химических добавок, микрозаполнителей, и разработаны новые с применением тощих смесей, смешанных и фракционированных песков, с использованием бетонов пониженных классов и другие, позволяющие довести расход цемента до нормируемого СНиП 5.01.28—83 для крупнозернистых бетонов.
Результаты исследовательских работ и практика применения подтвердили эффективность использования зол ТЭЦ в мелкозернистых бетонах: на 20...25 % сокращается расход цемента по сравнению с бетонами, единственным заполнителем в которых является природный песок.
В настоящее время в промышленности сборного железобетона определились два основных направления изготовления конструкций из мелкозернистого бетона — формование изделий из особо жестких смесей методами интенсивного уплотнения (вибропрессование, роликовое формование, пресс-прокат) и из малоподвижных смесей на стандартных виброплощадках с пригрузом до 40 г/см2 или без него.
Большинство мелкоштучных изделий из мелкозернистых бетонов для дорожного строительства, инженерных сетей, промышленного и жилищного строительства изготовляют в России, СНГ и странах Балтии на автоматизированных линиях и установках, оснащенных вибропрессами, суммарная мощность которых составляет свыше 150 тыс. м3 изделий в год. Созданные впервые в России в бывш. Главмоспромстройматериалах технология и оборудование для производства изделий из песчаного бетона предусматривают применение особо жестких цементно-песчаных смесей с В/Ц = 0,28...0,33, уплотняемых методом объемного вибропрессования, что обеспечивает высокие прочностные характеристики материала, морозостойкость и долговечность изделий. Комплексная проверка показала, что дорожные изделия из мелкозернистого бетона после 12 лет эксплуатации не имеют следов разрушения, тогда как срок службы аналогичных изделий из тяжелого крупнозернистого бетона не превышала 3 лет.
Разработана модификация вибропрессующего оборудования с площадью формования 0,04...2 м2 и широким набором формообразующей оснастки, а также вспомогательное оборудование — перекладчики, штабелеры, конвейеры, кантователи, которые в сочетании с системами автоматического управления позволяют компоновать различные по производительности технологические линии.
На ряде предприятий, в первую очередь московских, организовано массовое производство сборных элементов для дорожного строительства — бортовых камней, тротуарных плит, элементов мощения, плит для покрытий трамвайных путей, изготовляемых из песчаного бетона методом вибропрессования. Объем производства в Москве и области — около 80 тыс. м3 изделий в год.
Отечественная промышленность выпускает также плиты полов промзданий, плиты для защиты электрокабелей, опорные подушки трубопроводов, шахтную крепь и др.
Все более широко развивается изготовление из песчаного бетона изделий для коттеджного строительства: фундаментных блоков и перегородок, элементов благоустройства, а в последнее время стеновых блоков и черепицы.
В результате систематических исследований технологии производства черепицы созданы технологические линии, основанные на разных принципах формования — пресс-прокате, вибропрессовании, литьевой технологии, а также новые конструктивные формы черепицы. На вибропрессующем отечественном и зарубежном оборудовании (от 1 до 5 изделий одновременно) налажено широкое производство стеновых блоков из мелкозернистого бетона: песчаного, на основе зол ТЭЦ, а также эффективных по теплотехническим свойствам щелевых и сотовых.
Выпускаются также блоки из пенопесчаного бетона, пеноцемента безавтоклавного твердения по литьевой технологии. Широко распространены агрегаты для формования изделий на полу цеха.
Изготовляются блоки различной модификации, в том числе с высокими теплозащитными свойствами на основе зол, шлаков, арболита.
В настоящее время подготовлена база для коттеджного строительства, где все элементы от подвала до кровли, включая благоустройство территории, выполнены из песчаного бетона.
Разработаны технология, оборудование и организовано производство изделий из мелкозернистого, главным образом песчаного бетона роликовым формованием: кольца горловин колодцев, тротуарные и дорожные плиты.
На Московском заводе ЖБИ JVs 15 методом роликового формования из особо жестких цементно-песчаных смесей выпускают кольца колодезных горловин. Использование таких смесей обеспечивает немедленную распалубку и сокращенный режим тепловлажностной обработки. На том же заводе методом вибропрессования выпускают плиты для покрытий трамвайных путей (новой конструкции, без арматуры и петель), что позволило заводу резко повысить эффективность производства.
Исследовательские работы в области вибропрессования ведутся, главным образом, по совершенствованию агрегатов для формования, а также по расширению номенклатуры изделий, изготовляемых вибропрессованием. Сюда относятся крупноразмерные неармированные изделия (блоки стен подвалов), железобетонные, тонкостенные сложной конфигурации (волнистые, ребристые).
Обширные исследовательские работы показали возможность и целесообразность использования песчаного бетона в конструкциях, изготовляемых по традиционной технологии с уплотнением цементно-песчаных смесей на стандартном оборудовании практически без перестройки технологического процесса. Номенклатура изделий, выпускаемых отечественной промышленностью сборного железобетона, включает дорожные плиты, плиты для ленточных фундаментов, блоки стен подвалов, перегородки, многопустотные панели перекрытий длиной до 6 м, плиты крепления откосов, плиты ограждения каналов, сваи, ограждения лоджий, детали оград, панели стен жесткости, безнапорные трубы со стальным сердечником, ступени, вентиляционные люки и др.
Так, на Московском заводе ЖБИ № 11 выпускались дорожные плиты размером 3*1,75 м из песчаного бетона класса В20 вместо ранее изготовляемых на той же линии плит из крупнозернистого бетона класса В22,5. Несмотря на снижение класса бетона, плиты соответствовали требованиям по несущей способности благодаря повышенным прочностным показателям песчаного бетона и меньшему модулю упругости. Цементно-песчаные смеси с O.K. = 1,5...2 см формовали на виброплощадках практически без изменения технологического процесса и увеличения расхода цемента. Опытная эксплуатация этих плит в течение 5 лет подтвердила их высокое качество.
Целесообразно использовать песчаный бетон в трехслойных панелях (несущий и защитный слой из песчаного бетона, плитный утеплитель из пенополистирола, соединение на гибких связях) вместо однослойных керамзитобетонных. На Московском заводе ЖБИ № 20 выпускают наружные трехслойные панели указанной конструкции для встроенно-пристроенных магазинов, овощных баз, простенки промзданий и др.
Перспективно изготовлять из песчаного бетона изделия, для которых расход цемента назначен исходя из требований регламентированной морозостойкости. Так, для обеспечения F75 в блоках стен подвалов в условиях Москвы расход цемента составляет 295 кг/м3. При таком количестве вяжущего практически без изменения технологического процесса можно выпускать блоки стен подвалов требуемой прочности (В7,5), используя в качестве единственного заполнителя песок с Мк > 2. Требуемая морозостойкость в этих изделиях обеспечивается без дополнительных мероприятий.
Накопленный опыт изготовления многочисленных изделий и конструкций из песчаного бетона для жилищного, промышленного и дорожного строительства показывает, что для подавляющего большинства регионов России экономически выгодна даже простая замена крупного заполнителя песком. Однако более целесообразно перепроектировать конструкции с учетом свойств мелкозернистых бетонов, технологии их приготовления, использования эффективных методов уплотнения, термообработки и др.
Перспективной областью применения песчаного бетона является облицовка цоколей жилых и общественных зданий, подпорных стенок, парапетов, стен подземных переходов и других сооружений. Мелкозернистая структура песчаного бетона достаточно декоративна и плиты с колотой, шлифованной и бугристой формованной поверхностью (под шубу) близки по фактуре к природному камню.
Разработан и изготовлен комплекс оборудования (вибропресс со специальной формообразующей оснасткой, пресс для раскалывания заготовок на плиты с набором концентратов), с помощью которого можно организовать выпуск широкой номенклатуры облицовочных плит различных типоразмеров, цвета и фактуры.
В качестве перспективных следует указать следующие направления исследований в области мелкозернистых бетонов: сокращение расхода цемента; использование мелких, в том числе и загрязненных песков; изучение поведения конструкций при сложных силовых воздействиях, в том числе динамических, ударных, на продавливание; разработка технологий, учитывающих особенности материала, в том числе инъекционной, ударной, литьевой при перекачке смеси насосами, роликовый прокат, пресс-прокат, мокрый торкрет; разработка перспективной номенклатуры конструкций, в том числе рабочих чертежей и дополнений к стандартам на изделия из крупнозернистых бетонов; расширение работы по использованию мелкозернистого бетона в качестве отделочных материалов.
Принимая во внимание постоянный рост стоимости энергоресурсов, использование мелкозернистого бетона в большинстве случаев экономически целесообразно, а в некоторых регионах позволяет на 20...40 % снизить себестоимость продукции.
Бетон и железобетон, 1993