К.В. МИХАЙЛОВ, Ю.С. ВОЛКОВ Сборный железобетон: история и перспективы
Первый дом из сборного железобетона был построен в 1930 г. в Москве. У истоков инженерного решения этого дома стояли выдающиеся российские инженеры А.Ф. Лолейт, Е В. Костырко, А. А. Гвоздев. Однако началом бурного развития сборного железобетона в СССР послужило постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства, принятого в 1954 г.
Для реализации задач, поставленных Правительством, стали выделяться значительные средства на научное сопровождение развития этой отрасли, разработку проектных решений зданий и сооружений из сборных железобетонных конструкций, совершенствование технологии их изготовления, было организовано издание журналов Строительные материалы, Бетон и железобетон и др.
Помимо НИИЖБа, который был создан первоначально на базе группы лабораторий Центрального института промышленных сооружений, был организован специализированный институт по проблемам заводской технологии производства сборного железобетона - ВНИИЖелезобетон.
В развитие науки о проектировании производства и применения сборных железобетонных конструкций крупный вклад внесли специалисты НИИЖБа, в том числе: В.В. Михайлов, Г.К. Хайдуков, А.П. Васильев, Г.И. Бердичевский, Ф.М. Иванов, Б.В. Гусев, В.А. Клевцов, С.А. Мадатян, В.В. Шугаев, Н А. Маркаров, Л.А. Малинина, И.Г. Людковский, В.Г. Батраков, В.Н. Ярмаковский, а также многие специалисты из других проектных и научных организаций.
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 по 1985 годы) объем применения сборного железобетона увеличился в 25 раз. Значительное внимание было уделено развитию предварительно напряженных и легкобетонных конструкций.
Росла концентрация производства. В 1960 г. предприятия мощностью менее 55 тыс. м3 в год производили 86% всего сборного железобетона, к 1965 г. на их долю приходилось уже только 45%, 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 концентраций производства.
К сожалению, ориентация на строительство комбинатов крупнопанельного домостроения большой мощности породило однообразие строящихся зданий, в угоду конъюнктуре выбирались сборные варианты взамен монолитных даже там, где это было нерационально. За сборным железобетоном закрепилась репутация тяжелого материала, да и сами бетонщики обычный бетон (normal concrete по EN 206-1) назвали неудачно тяжелым бетоном, хотя его плотность в три раза меньше плотности стали. Сдержанно к сборному железобетону относились и архитекторы, но они испытывали сильнейшее давление административных органов. Достаточно вспомнить пресловутую борьбу с излишествами.
В условиях директивной экономики напряженный план и максимальное использование производственного оборудования было обязательным требованием. Переналадка и модернизации производственных линий зачастую были экономически невыгодны, что создавало тенденцию к длительному тиражированию одних и тех же серий сборных домов. Избыточная концентрация производственных мощностей привела к нецелесообразной перевозке строительных изделий на расстояние в сотни и даже тысячи километров, как это имело место при освоении отдаленных районов нефтяных и газовых месторождений.
В данный момент, наоборот, у нас наблюдается неоправданный отказ от сборного железобетона, несмотря на наличие развитой производственной базы, использование которой не превышает 50%. Отказ от сборного строитепьства может быть приравнен в определенной мере к отказу от конвейерной сборки автомобилей. В основе одноликости сборного строительства в России лежат те же причины, которые побуждали автомобильные заводы выпускать в течение десятилетий одну и ту же марку автомобилей, - рыночной монополизм. Между тем мировая практика показывает, что интерес к сборному строительству не снижается. Международная федерация по сборному железобетону - BIBM- существует уже оилее 40 лет и провела в различных странах 18 международных конгрессов. Последний из них состоялся в Амстердаме в мае 2005 г.
Следует опровергнуть бытующее представление о доминирующем применении в зарубежном строительстве монолитного бетона и железобетона. Например, Германия производит ежегодно 32 млн. м3 сборного железобетона, т. е. в полтора раза больше, чем в России. В Италии сборного железобетона производится порядка 40 млн. м3. Всего в стоимостном выражении на сборное строительство в Европе приходится 30 % общего объема производства железобетона, или 150 млн. м3
В соседней Финляндии 97% многоэтажных и 38% малоэтажных жилых домов возводятся из железобетона. При этом на сборное строительство из этого объема приходится 70%, а в малоэтажном - 40%. Для ограждающих конструкций применяются панели типа сэндвич с расчетной долговечностью 100 лет. Перекрытия из многопустотных панелей толщиной 320-370 мм обладают повышенной звукоизоляцией. Пустоты панелей перекрытий и покрытий используются для отопления.
В КНР работает 4600 заводов сборного железобетона. В США расширяется применение сборного железобетона в мостостроении, в том числе и при возведении внеклассных мостов методом навесной сборки пролетных строений из сегментов. Этот метод вытесняет строительство монолитных мостов с натяжением арматуры на бетон. Всего же в настоящее время в США около 80% мостов сооружают из железобетона, в том числе мосты пролетом до 50 м строят только из сборных балочных пролетных строений.
В сборном железобетоне реализованы крупнейшие мировые проекты: туннель под проливом Ла- Манш, соединивший Великобританию и Францию; две нити водовода диаметром 4 м и длиной 900 км в Ливии; транспортная эстакада протяженностью 55 км, соединившая г. Бангкок с международным аэропортом; мосты в Германии с массой надвигаемых пролетных строений, достигающей 30 тыс. т.
Среди доставляемых автотранспортом сборных элементов рекордным можно назвать балки пролетного строения моста в Голландии массой 230 т, высотой сечения 2,4 м, шириной 1,6 м. Балки длиной 42,8 м были изготовлены с точностью до 1 см, общие усилия натяжения напрягаемой арматуры в одном элементе составили 3000 тс. Дистанция транспортировки превысила 100 км. Полная длина трейлера со 164 колесами для перевозки балок составила 63 м.
Таким образом, сборный железобетон в мировом строительстве продолжает развиваться. Это объясняется несколькими обстоятельствами. Первое - в условиях стационарного производства намного легче обеспечить стабильное качество продукции через организацию пооперационного контроля; это производство значительно проще поддается автоматизации и даже роботизации. Второе - современные полимерные материалы, применяемые для изготовления форм дают возможность существенно разнообразить виды изделий и варианты их архитектурной отделки Третье - применение химических добавок в бетон позволяет сократить или совсем отказаться от таких приемов, как вибрирование бетонной смеси в целях ее уплотнения, и последующую температурную (как правило, паровую) обработку.
Производство сборного железобетона по Российской Федерации в настоящее время составляет примерно 30 млн. м3 в год, из них предварительно напряженных конструкций около 4 млн. м3. Можно говорить о некотором росте производства сборного железобетона (на 4-6%) за последние годы. Численность работников, занятых в промышленности сборного железобетона, составляет примерно 200 тыс. человек или 36% общей численности работников отрасли промышленности строительных материалов.
Предприятия по выпуску сборных бетонных и железобетонных изделий и конструкций имеются во всех субъектах Российской Федерации В Москве, несмотря на бурное развитие монолитного строительства, по-прежнему более половины жилого фонда возводится в сборном варианте. Подбор составов бетона, конструкции форм позволяют в настоящее время получать высокоточные изделия с минимальными допусками. Архитектурное исполнение сборных изделий сделало значительный шаг вперед. В качестве примера успешного применения сборного железобетона для жилищного строительства следует привести Москву. По мнению первого заместителя главного архитектора столицы Ю.П. Григорьева, дом из сборных панелей не хуже, а даже лучше, чем монолитный, потому что панельный дом это отработанный конвейер, отвечающий нормам системы качества (Строительная газета, №21, 2007).
Помимо сборных железобетонных конструкций, следует упомянуть малый” сборный бетон - стеновые блоки. Их производство из ячеистого силикатного и обычного бетонов составляет (в пересчете на кубометры) более 20 миллионов. По объему выпуска бетонные блоки превышают производство собственно кирпича.
В России около 80% общего объема выпуска железобетона представляют собой различные виды плоских и линейных конструкций (панели стен, плиты покрытий и перекрытий, перегородки, площадки и др.).
Производство бетона по своему технологическому содержанию - это химическое производство, ибо твердение бетона осуществляется путем протекания сложных химических реакций, а прочность затвердевшего бетона зависит от соотношения и качества использованных для его приготовления исходных материалов. Отсюда неизбежно вытекает необходимость строгого контроля свойств всех исходных сырьевых компонентов и технологических переделов. Качество бетона, помимо экологических и прочих преимуществ, должно явиться наиболее значимым параметром его конкурентоспособности по отношению к другим материалам.
Длительное время директивная установка на экономию цемента не способствовала получению высококачественных конструкций из железобетона массового производства. Так, ГОСТ 1015.0-83 Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные требует, чтобы нормируемая прочность бетона на сжатие в конструкциях и изделиях в момент отгрузки потребителю (отпускная прочность) обязательно должна быть ниже класса бетона, указанного в проекте. Этот же ГОСТ рекомендует снижать среднюю прочность бетона в изделии, если на предприятии достигнута однородность бетона выше нормируемой. И это при том, что 90% отечественного сборного железобетона изготавливается из бетонов средних классов В25 и даже ниже.
Совершенно другие подходы приняты в зарубежной строительной практике. Так, в Рекомендациях Технического комитета по сборному железобетону Европейской организации по стандартизации (ТК 228 СЕН), наоборот, предписывается изготовлять обычные конструкции из бетона класса не ниже В25, а конструкции с преднапряженной арматурой из бетона класса не ниже В37. В Голландии прочность бетона для изготовления сборных конструкций без предварительного напряжения арматуры составляет 45-55 МПа, а с предварительным напряжением 55- 75 МПа. Для производства бетона цементная промышленность предлагает широкую гамму различных вяжущих. Помимо наиболее распространенных, портландцемента и шлакопортландцемента, выпускаются различные модификации цементных вяжущих, в том числе быстротвердеющие, многокомпонентные, тонкомолотые и т.д.
Несмотря на переход нашей цементной промышленности к условиям рынка и, казалось бы, наличие конкуренции, качество рядовых отечественных цементов пока существенно уступает (прежде всего, по прочностным показателям) цементам, производимым в разных странах, где в качестве рядовых используются цементы, относящиеся по отечественной классификации к высокопрочным. Поставляемые для производства бетона природные заполнители (песок, щебень) нередко не отвечают требованиям стандартов, прежде всего по предельному содержанию примесей и гранулометрическому составу.
Одним из кардинальных направлений повышения эффективности бетона как строительного материала является его химизация или, иными словами, применение специальных добавок, улучшающих свойства бетона как в период приготовления и укладки бетонной смеси, так и в период эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций.
Из высоких технологий, применяемых для сборного строительства, следует упомянуть цемент ТХ Millenium, разработанный во Франции. Использование такого цемента для бетона ограждающих конструкций позволяет получать самочистящиеся фасады за счет проявления фотокаталитического эффекта.
Проблема ускорения твердения бетона является одной из важнейших в современной технологии как при производстве сборных железобетонных изделий, так и при возведении зданий и сооружений из монолитного бетона. Несмотря на то, что в последние годы активно разрабатываются альтернативные способы ускорения твердения бетона, тепловая обработка с использованием пара в ближайшей перспективе будет удерживать на предприятиях сборного железобетона достаточно прочные позиции. Но постепенно на смену ей будут приходить другие, более эффективные способы интенсификации набора прочности бетона, прежде всего химические добавки-ускорители твердения, электротермообработка, использование продуктов сгорания природного газа.
Применение высокопрочных бетонов в несущих железобетонных элементах зданий позволяет снизить массу конструкций за счет уменьшения объема бетона, получить экономию цемента, а при равных размерах сечений можно сократить и расходы арматурной стали. Снижаются также трудоемкость изготовления, транспортные расходы и приведенные затраты. Увеличение прочности бетона в конструкциях массового применения открывает возможности повышения качества изделий, а в ряде случаев существенного снижения косвенного армирования и расхода стали в целом. Это в значительной мере подтверждено мировым опытом производства пред- напряженных изделий методом безопалубочного формования на длинных стендах.
Изготовление сборных железобетонных конструкций из высокопрочного бетона классов В40-В60 возможно на рядовых портландцементах марок М550-М600. Применение бетонов высоких классов наиболее эффективно для колонн одноэтажных и многоэтажных зданий, стропильных ферм и балок, большепролетных плит покрытий, других конструкций. Так, в КНР сваи длиной до 30 м изготавливают из бетона класса В 100. В действующем европейском стандарте EN 206-1 Бетон. Общие технические требования, производство и контроль качества” указан бетон класса по прочности на сжатие В 115.
В трудах 18 Международного конгресса по сборному железобетону в качестве примера опытного строительства приведен автомобильный мост во Франции из сборных балок, изготовленных из бетона прочностью 200 МПа. Балки типа 2Т пролетом 22 м имели высоту сечения 0,9 м и ширину 2,2 м, толщина ребер составляла 15 см. Балки армированы только продольной напрягаемой арматурой. Масса пролетного строения была на 2/3 меньше, чем пролетного строения из обычного железобетона. Аналогичные примеры применения сверхпрочного бетона в мостовых конструкциях имеются в Японии, Голландии, Канаде.
При изготовлении шпунтовых свай длиной 13 м и толщиной всего 45 мм из фибробетона на быстро- твердеющем цементе с микрокремнеземом и тонкодисперсном заполнителе его прочность через 24 ч составила 74 МПа. Эти примеры свидетельствуют о выдающихся успехах в области технологии железобетона, достигнутых в последние годы.
За последние 20 лег развитие заводских технологий позволило стабильно получать высокопрочные бетоны. Проблемами являются слабое знание проектировщиками современных достижений в этой области и соответственно отсутствие проектных разработок с применением высокопрочных бетонов. Но им, безусловно, принадлежит будущее (с использованием различных модификаторов, стержневой арматуры классов А500...А1000 и арматурных канатов класса К-1500).
Зарубежный опыт совершенствования заводского производства ряда сборных железобетонных и предварительно напряженных конструкций указывает на возможности существенного сокращения сроков их изготовления, получения заметной экономии материалов и рабочей силы. Достигнут такой результат благодаря применению химических добавок, позволяющих получать самоуплотняющиеся бетонные смеси. Такие добавки первоначально были разработаны в Японии, а ныне широко используются в США и Западной Европе. Только в одной Голландии объем выпуска сборных конструкций, изготовленных с применением самоуплотняющихся смесей, составляет почти 1 млн м3. Распалубочная прочность изделий через 8... 16 ч достигает 20...48 МПа.
Для армирования обычных сборных железобетонных конструкций следует применять стержневую арматуру периодического профиля класса А500С диаметром от 6 до 40 мм и низкоуглеродистую проволоку периодического профиля класса В500 диаметром 3-8 мм. Для армирования предварительно напряженных сборных конструкций надлежит применять высокопрочные стабилизированные арматурные канаты прочностью до 1800 МПа и проволоку периодического профиля, а также высокопрочную стержневую арматуру классов А800...А1000. Указанные виды арматуры освоены заводами металлургической промышленности России.
Железобетон - высококачественный строительный материал, но он не вечен. Поэтому в перспективе следует создать технологию разборки и утилизации зданий из сборного железобетона по истечении срока их эксплуатации. В связи с этим в проектную практику целесообразно ввести понятие жизненного цикла здания, который включал бы все этапы существования объекта от начала строительства до полной утилизации материалов после сноса и разборки.
Требуется обновление нормативной базы в области бетона и железобетона. Основные подходы в нормах должны быть унифицированы с зарубежными аналогами.
Важной вехой дальнейшего прогресса бетона как строительного материала явилось принятие европейского стандарта EN 206-1, который устанавливает рекомендации по обеспечению долговечности бетона с учетом различных сред эксплуатации. Параметрический ряд бетонов включает наибольший класс 115 для обычного бетона и 88 - для легкого бетона.
EN 206-1 принят за основу при разработке соответствующих стандартов ИСО. Следует также упомянуть принятый недавно евростандарт EN 13369 Общие требования для сборных конструкций и стандарт EN 1993-1 (Еврокод 2) Железобетонные конструкции зданий, определяющие методы расчета всех железобетонных конструкций.
Высокоразвитая индустрия производства бетона и железобетона требует соответствующего информационного обеспечения. В США, например, издается более 10 журналов по бетону и железобетону.
Во всех развитых странах успешно работают научно-производственные ассоциации по бетону и железобетону. Пользуются заслуженным авторитетом Международная федерация по железобетону fib, членами которой являются более 50 стран, где имеется технический комитет по сборному железобетону; упомянутая выше Международная федерация по сборному железобетону BIBM. Международные организации по стандартизации ISO и CEN имеют в своем составе специальные комитеты по железобетону, занимающиеся выработкой единых стандартов, обобщающих наиболее передовые достижения мировой практики в этой области.
В 2004 г. 100-летний юбилей отметил Американский институт бетона (ACI) - профессиональная ассоциация многих тысяч специалистов и сотен компаний строитепьной индустрии США и Канады. Институт является разработчиком и держателем основного массива стандартов по бетону и железобетону. Эти стандарты оказывают значительное влияние на нормотворческую практику других развитых стран, прежде всего юго-восточной Азии. ACI издает три (!) журнала по бетону и железобетону. Институт ежегодно проводит две сессии, в которых принимают участие сотни специалистов, спонсирует и поддерживает своим авторитетом десятки региональных мероприятий, в том числе он выступил информационным спонсором II Всероссийской конференции по бетону и железобетону.
По уровню технических и экономических показателей бетон и железобетон по-прежнему остается основным конструкционным материалов, занимая приоритетные места в общей структуре мирового выпуска строительной продукции. Ежегодное производство бетона и железобетона в мире превышает 3 млрд. м3, никакой другой продукт производственной деятельности не изготавливается в таких объемах. Из 2,8 млрд. м2 жилого фонда России на здания, построенные с применением бетона и железобетона, приходится не менее 2 млрд. м2.
Обеспечение населения доступным жильем остается одной из самых социально значимых задач государства. Президент России поручил Правительству разработать комплекс мер, направленных на доведение к 2010 г. объемов жилищного строительства до 80 млн. м2 в год. Эта сложная задача потребует применения новых проектных решений, эффективных материалов и технологий, широкого внедрения научных разработок в практику строительства. Без массового использования при строительстве жилых зданий разнообразных видов бетона и сборных железобетонных конструкций эта задача не может быть решена.
Будущее современной цивилизации невозможно представить без железобетона. Например, обеспечение российского населения жильем, создание безопасной среды обитания в наших городах в значительной мере зависит от развития производства основного строительного материала современности - железобетона. Для дальнейшего совершенствования бетона и железобетона необходимы шаги по укреплению его доминирующего положения на рынке, что также расширит возможности привлечения средств строительных компаний для финансирования научных исследований в этой области. Такими шагами могли бы быть
• проведение российских и международных конференций и семинаров по проблеме бетона и железобетона. Умело организованные конференции могут быть полностью самоокупаемыми. В частности, уже сейчас необходимо начать подготовку к проведению в 2010 г. Ill Всероссийской (с международным участием) конференции по бетону и железобетону
• публикация проблемных и популярных статей в газетах и журналах не только строительного профиля
• проведение специальных заседаний коллегий Минрегиона, Росстроя, комитетов Госдумы, правительственных структур с анализом путей реализации научно-технических проектов через применение эффективных разработок в области бетона и железобетона (новые материалы, конструктивные решения зданий и т.д.)
• контакты и участие в работе общественных строительных ассоциаций - РААСН, РИА, АСР, РОИС, РСС, РНТО, РСПП и других.
В заключение приведем высказывание президента Шведской ассоциации по сборному железобетону Мастса Бьерса: если бы железобетон был бы изобретен в наши дни, его изобретатель, несомненно, получил бы Нобелевскую премию.
Бетон и железобетон, 2007 №5