К.В.МИХАЙЛОВ, Г.К.ХАЙДУКОВ, доктора техн. наук, профессора, Ю. С. ВОЛКОВ, канд. техн. наук (НИИЖБ), К 150-летию изобретения железобетона (этапы истории с 1930 по 2000 гг.)
С достаточным основанием 1930 г. можно считать началом второго периода развития бетона и железобетонных конструкций, когда в практике капитального строительства технически развитых стран появляются сборные и пред- напряженные конструкции. В 1929 г. публикуется работа Э.Фрейсине (Франция), в которой были изложены основные положения проектирования и применения предварительно напряженных конструкций, предусматривающие использование арматуры повышенной прочности, увеличение уровня ее натяжения с учетом потерь от усадки и ползучести бетона. В нашей стране первые исследования в этой области были проведены в Закавказском институте сооружений проф. В.В.Михайловым. Полученные результаты были изложены им в монографии “Напряженно-армированный бетон”, опубликованной в 1933 г.
В начавшейся в 1939 г. мировой войне железобетон широко применялся воюющими сторонами в фортификационных сооружениях. В СССР даже отмечены попытки изготовления из железобетона корпусов авиабомб.
Железобетон сыграл определенную роль и при открытии 2-го фронта. Снабжение высадившихся в Нормандии войск союзников осуществлялось через морскую гавань в заливе Мелберри, обустройство которой (пирсы, волноломы и пр.) было оперативно выполнено из наплавных железобетонных кессонов. Они были построены в Англии и с началом операции отбуксированы через пролив. Водоизмещение отдельных кессонов достигало 6000 т. Морское строительство из железобетона получило впоследствии значительное развитие — из него в настоящее время строят плавучие и сухие доки, стояночные суда, причалы, пирсы, гигантские морские платформы для добычи нефти и паза и др.
После Второй мировой войны колоссально возросла потребность в новом строительстве, и положение железобетона среди других строительных материалов стало абсолютно доминирующим. За него ратуют выдающиеся архитекторы XX века, среди которых можно отметить Ле Корбюзье (Франция), широко начавшего применять в своих проектах сборный железобетон, Оскара Нимейера (Бразилия), выстроившего из железобетона новую столицу страны — Бразилию, Пьетро Луиджи Нерви (Италия), построившего целый ряд объектов, рекордных по своим строительным характеристикам, и многих других.
Систематические исследования в области сборного железобетона в нашей стране были начаты во Всесоюзном институте сооружений в 1930 г. под руководством проф. А.А.Гвоздева. В результате этих работ уже в 1934 г. была создана подробная инструкция по проектированию и изготовлению сборных железобетонных конструкций одно- и многоэтажных производственных зданий.
Активная деятельность многих научных и проектных организаций практически во всех технически развитых странах обеспечивала ускоренное совершенствование железобетонных конструкций и расширение областей их рационального применения. В результате индустриального развития вначале стран Европы и Северной Америки, а затем Азии, Южной Америки и Австралии были созданы условия для снабжения строителей необходимым количеством цемента и арматурной стали, механические характеристики которых непрерывно повышались. Таким образом, были созданы условия, необходимые для быстрого роста производства и применения бетонных и железобетонных конструкций. В исторически короткие сроки бетон и железобетон заняли ведущее положение в современном капитальном строительстве. В настоящее время в мире ежегодно выпускается более 2 млрд.м3 бетона и железобетона.
Получили широкое применение монолитные, сборные и сборно-монолитные железобетонные конструкции с обычной и напрягаемой арматурой, причем в различных странах соотношение их объемов неодинаковы. Так, в большинстве зарубежных стран при возведении различных инженерных сооружений, в том числе при строительстве автомобильных дорог и аэродромов, преобладает железобетон в монолитном исполнении.
Идею сборного строительства еще в 1923 г. выдвинул выдающийся французский архитектор Ле Корбюзье. Толчок к массовому распространению сборного железобетона в нашей стране дало постановление правительства от 19 августа 1954 г. “О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства”. В течение шестидесятых и семидесятых годов это производство было организовано на специальных технологических линиях, в специализированных цехах и на мощных предприятиях производительностью 100-180 тыс.м3 в год.
В связи с этим значительные средства стали выделять на научное сопровождение этой отрасли, разработку проектных решений зданий и сооружений из сборных железобетонных конструкций, совершенствование технологии их изготовления. В относительно короткие сроки была создана крупнейшая в мире промышленность сборного железобетона, проектная производительность которой к 1989 г. достигла 180 млн.м3 в год, в том числе по Российской Федерации — около 100 млн.м3. За тридцать лет (с 1955 г. по 1985 г.) объем применения сборного железобетона в СССР увеличился в 25 раз. Значительное внимание было уделено развитию предварительно напряженных и легкобетонных конструкций, росла концентрация производства. В 1960 г. предприятия мощностью менее 50 тыс.м3 в год выпускали 86% всего сборного железобетона, к 1965 г. на их долю приходилось уже только 46%, а в 1990 г. — 20% годового объема производства. Численность производственного персонала промышленности сборных железобетонных конструкций и изделий к этому времени составила 47% общей численности персонала, занятого в промышленности строительных материалов, объем товарной продукции — соответственно 45% и стоимость производственных фондов — 48%. В то же время число предприятий промышленности сборного бетона и железобетона составляло только 20% общего числа предприятий промышленности строительных материалов. Иными словами, по сравнению с другими отраслями промышленности стройматериалов, это была отрасль с высокой фондовооруженностью и концентрацией производства.
Если объем применения сборных конструкций в 1955 г. составил 12%, то в 1990 г. — уже около 60% общего объема производства железобетона. В СССР ориентация на сборный железобетон с основным использованием его при строительстве жилых, общественных и производственных зданий была связана главным образом с необходимостью ускоренными темпами ликвидировать нехватку жилья и других социально важных объектов.
Объем научных исследований в рассматриваемой области строительства в мире непрерывно возрастал, что позволило систематически совершенствовать методы расчета железобетонных конструкций с учетом появления новых строительных материалов и технологических процессов производства. От расчета по допускаемым напряжениям перешли к расчету по разрушающим усилиям, а затем к расчету по предельным состояниям. Обновление нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций в технически развитых странах осуществлялось в едином направлении, но выполнялись эти работы в различные сроки. Следует отметить, что в разработке теории прочности и деформаций железобетона наша страна занимает передовые позиции.
Во второй половине XX века цементная промышленность освоила массовое производство многих видов и марок цементов: высокомарочных портландцементов, безусадочных и напрягающих цементов, гидрофобных и быстротвердеющих цементов, разработан цемент низкой водопотребности. Мировой объем производства цемента в 1998 г. превысил 1 млрд.т, и наблюдается тенденция его дальнейшего значительного роста, в основном за счет стран Азии. В нынешнем веке бетон получил развитие как материал, имеющий обширную сырьевую базу, экологически безопасный, наиболее подходящий для изготовления различных строительных изделий, конструкций и систем.
Крупные успехи в области совершенствования свойств бетонных смесей и бетонов достигнут в последние десятилетия в результате успешного выполнения научных работ по созданию различных модификаторов. Их применение позволяет придавать бетонам требуемые свойства в процессе производства конструкций и при последующей их эксплуатации в различных условиях. Так, например, путем введения в бетонную смесь суперпластификатора в сочетании с микрокремнеземом можно без особых трудностей получить на портландцементе марки 400 бетон прочностью свыше 100 МПа. В ряде стран уже более 90% используемого в строительстве бетона изготовляют с применением различных модификаторов, в основном пластифицирующих добавок.
Быстрыми темпами растет прочность бетона для изготовления разнообразных конструкций. Если в начале 60-х годов технологически получаемая наибольшая прочность бетона составляла 40 МПа, то в 1970 г. — 50 МПа, 1980 г. — 70 МПа, 1990 г. —100 МПа, 1995 г — 200 МПа. Прочность так называемого бетона “эрписи” (английская аббревиатура RPC — reactive powder concrete) может достигать 800 МПа. Такой бетон готовят из тонкодисперсных компонентов, где максимальный размер зерен заполнителя не превышает 0,1 мм, причем на 60% по объему такой бетон состоит из зерен фракций 0,01...0,1 мм, на 20% — 0,001...0,01 мм.
Для ограждающих конструкций зданий широкое применение получили ячеистые бетоны плотностью 500...600 кг/м3 и бетоны на пористых заполнителях. У нас в стране и в США легкие бетоны повышенной прочности используются и для несущих конструкций. На объектах с агрессивной средой стали применять конструкции из различных видов полимербетонов.
Металлургическая промышленность многих стран освоила широкую номенклатуру арматурных сталей для обычных и предварительно напряженных конструкций: стержневую арматуру периодического профиля и холоднотянутую проволоку с пределом текучести не менее 500 МПа, высокопрочную стержневую арматуру гладкую и периодического профиля диаметром до 32 мм, высокопрочную проволоку и канаты с пределом прочности до 1800 МПа, стальную фибру для дисперсного армирования бетона. В результате применения эффективной арматуры средняя металлоемкость обычных железобетонных конструкций снизились за последние 50 лет в два раза.
Растет интерес к арматуре на основе стекловолокна и углеродного волокна, объединяемых в стержни полимерными связующими. Высокая прочность и коррозионная стойкость такой арматуры привлекательны для ряда сооружений, эксплуатируемых в особых условиях.
Широкое применение сборных железобетонных конструкций потребовало создания заводского производства, оснащенного современной машинной техникой. В основном использовались три технологические системы: агрегатно-поточная, стендовая и конвейерная. В зарубежных странах наибольшее развитие получила хорошо механизированная стендовая технология.
По ориентировочным подсчетам, к концу XX столетия на нашей планете объем применения бетонных и железобетонных конструкций составит порядка 25 млрд.м3, большинство из которых находится в эксплуатации; по прогнозам, в XXI веке эта цифра существенно возрастет. В этих условиях особое внимание должно быть обращено на обеспечение долговечности таких конструкций, для чего потребуется расширить фронт исследований в области технологии бетона, повысить эффективность контроля за качеством изготовления и правильностью эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций. Важность этих задач все более завоевывает понимание научно-технической общественности.
Значительную роль в развитии бетона и железобетонных конструкций играют международные общественные научно-технические организации ФИП, ЕКБ, РИEM и др., в которых представлены специалисты всех пяти континентов планеты. Наша страна входит в состав этих организаций и особенно активно участвовала в деятельности Федерации по предварительно напряженному железобетону (ФИП). Не случайно наши специалисты награждены четырьмя медалями федерации, а один ученый является ее почетным членом. Почти 50 лет ФИП целеустремленно направляла свои усилия на развитие предварительно напряженного железобетона, и только теперь, в результате объединения с Европейским комитетом по бетону (ЕКБ), была создана единая федерация по конструктивному бетону (ФИБ), в которой проблемы всех видов армированного бетона будут решаться более комплексно.
Огромное внимание за рубежом уделяется технической пропаганде бизнеса в области производства бетона. Так, проводимые ежегодно в США выставки-ярмарки “Мир бетона” собирают до 100 тыс. посетителей в течение недели. Насыщен разнообразными техническими и культурными мероприятиями ежегодный “Бетонтаг” (День бетона) в Германии. Интересно отметить, что в 1993 г. на открытии 55-го (!) Германского конгресса по бетону, собравшего 2200 участников, играл Берлинский филармонический оркестр под руководством дирижера с мировым именем Клаудио Аббадо, исполнивший 5-ю симфонию Малера.
У нас в стране до 1990 г. регулярно через каждые четыре года проводились Всесоюзные научнотехнические конференции, на которых ученые всех союзных республик обменивались опытом производства и применения новых эффективных железобетонных конструкций. Российское НТО строителей решило возобновить практику проведения таких конференций и наметило ее на 2000 г. Если продолжить нумерацию состоявшихся конференций, то предстоящая конференция будет одиннадцатой.
Достижения отдельных стран и общий уровень развития железобетона хорошо иллюстрируется в публикуемых материалах конгрессов, конференций и симпозиумов, которые регулярно проводятся указанными выше международными организациями. Так, например,
ФИП проводит конгрессы один раз в четыре года с участием до 1500 делегатов из 50 и более стран.
Достигнутый прогресс в области бетона и железобетона можно оценить путем анализа основных показателей конкретных объектов, возведенных в различных странах за указанный период времени: автодорожные мосты, многоэтажные общественные здания, крытые стадионы и рынки, морские сооружения, башни различною назначения и др.
Бетон уверенно вытесняет сталь из высотного строительства: в США и во многих других странах построены сотни небоскребов с монолитным каркасом. Для таких зданий применяют бетон высокой прочности. Непрерывно растет этажность высотных домов из железобетона. Построенный в 1972 г. в Чикаго небоскреб “Мидконтинен- тал” имел 50 этажей, в 1976 г. там же небоскреб “Утер Тауэр” достигал 79 этажей, в 1996 г. небоскреб “Байок-2” в Таиланде имел уже 90 этажей. И, наконец, в Малайзии в 1998 г. сдан в эксплуатацию небоскреб “Петронас”, выполненный в виде двух башен, который насчитывает более 100 этажей, включая подземные части зданий (из них над землей 88). Две высотные башни этого здания нефтяной компании “Петронас" в Куала-Лумпуре на сегодня является мировыми рекордсменами среди небоскребов. Каждая башня круглого очертания в плане имеет по периметру 16 несущих колонн диаметром 2,4 м; каждая колонна выполнена из бетона класса В80 (см.рисунок).
Выдающимся сооружением считается построенная по проекту Н.В.Никитина московская телебашня. При общей высоте 537 м ее железобетонная часть достигает 380 м. Телебашня в Торонто (Канада) является самым высоким в мире отдельно стоящим сооружением (555 м). Известны более высокие стальные мачты, но они раскреплены растяжками.
Мировой рекорд подачи бетонной смеси на высоту, составляющий 500 м, был достигнут насосом фирмы “Пуцмайстер” при строительстве электростанции в Альпах (Италия), а мировой рекорд перекачки бетона по горизонтали превышает 2 км. Монолитное бетонирование является основным методом при строительстве дорог. Современные машины позволяют бетонировать основание проезжей части шириной до 16 м за один проход.
Существенно усложнилась технология ведения бетонных работ Так, при возведении кессона нефтедобывающей платформы в Норвегии периметр одновременно бетонируемых стен и диафрагм суммарно достигал 2 км, а скользящая опалубка одномоментно перемещалась с помощью 100 гидравлических домкратов. Современные самоподъемные опалубки позволяют менять угол наклона стен. Так, при бетонировании стен здания солнечных часов в Диснейленде во Флориде угол их наклона менялся от 11 до 5 градусов. Наклон стены выставочного павильона на выставке ЭКСПО-92 в Севилье составил 15 градусов (для сравнения, наклон Пизанской башни не превышает 6 градусов). Можно утверждать, что разработанные на сегодняшний день системы опалубки позволяют решать самые разнообразные задачи монолитного строительства.
Предварительно напряженный железобетон, помимо традиционных строительных целей, нашел широкое применение для возведения корпусов реакторов и защитных оболочек АЭС. В настоящее время мощность атомных электростанций в мире достигла 150 млн. кВт, в том числе доля АЭС с применением преднапряженного железобетона для корпусов реакторов и защитных оболочек превышает 40 млн. кВт. Защитных оболочек из преднапряженного железобетона построено более 100.
Выдающимся примером строительно-технических возможностей железобетона является возведенная в 1995 г. в Норвегии платформа “Тролл" для добычи нефти (а всего их построено более 20). Ее полная высота достигает 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной воды более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м.
Возведен ряд интереснейших объектов с применением конструкций из железобетона, относящихся к наиболее примечательным достижениям строительной практики. Так, в Сиэтле построен ребристый железобетонный купол пролетом 220 м. Монолитные оболочки обладают эффектной архитектурной выразительностью. Так, покрытие Национального центра техники и промышленности в Париже (в районе Дефанс) пролетом 216 м имеет опирание на три точки. В Челябинске и Минске были построены рынки, перекрытые железобетонной оболочкой размером в плане 100x100 м.
Обширной областью применения железобетона (и прежде всего предварительно напряженного) является мостостроение. Только в США возведено более 500 тыс. железобетонных автодорожных мостов с различными пролетами. Быстро растут пролеты железобетонных мостов. В 1974 г. наибольший пролет вантового моста, построенного в Колумбии, составил 137 м; в 1986 г. мост “Анасис” в Канаде имел центральный пролет в 465 м; в 1998 г. вантовый мост “Нормандия” имел центральный пролет в 864 м; ненамного ему уступает мост “Васко да Гама" в Лиссабоне (830 м), построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98.
Крупные достижения отмечены в области технологии возведения мостов. Так, при продольной надвижке пролетного строения моста в г.Меттен (Германия) масса перемещаемой домкратами неразрезной балки составила 33 тыс.т. Разработаны методы возведения мостов путем поворота пролетного строения в проектное положение в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Причем в последнем случае пролетное строение первоначально бетонируют вертикально в скользящей опалубке. Подобные примеры интереснейших решений различных сооружений из железобетона можно продолжить.
По уровню технических и экономических показателей бетон и железобетон по-прежнему остаются основными конструкционными материалами, занимая приоритетные места в общей структуре мирового производства строительной продукции. Бетон и железобетон сохранят свою лидирующую роль в строительстве и в XXI веке.
Бетон и железобетон, 1995 №5