Экономить не цемент в бетоне, а бетон в конструкциях

Ученые из КГАСУ убеждены: высокопрочные бетоны надо внедрять в сборное и монолитное строительство Татарстана уже сегодня, чтобы не догонять другие регионы завтра. Использование высокопрочных бетонов снижает расход цемента в несущих конструкциях на 25%. Это одно из главных направлений инновационного строительства.

Авторы статьи:

Низамов Р.К. – д.т.н., проф. Ректор КГАСУ(КИСИ)

Хозин В.Г. – д.т.н., проф., зав.кафедрой технологии строительных материалов, изделий и конструкций КГАСУ

Никитин Г.П. – к.т.н., доц., главный конструктор ОАО «ГипроНИИавиапром»

Ханифов Ф.М. – Начальник Казанского филиала ФАУ Главгосэкспертиза России

Цель инноваций в строительстве – снижение стоимости объектов и сокращение сроков их возведения – достигается за счет энерго- и ресурсосбережения, включая затраты живого труда и времени на всех этапах строительного процесса, от изготовления стройматериалов, изделий и конструкций до их монтажа («укладки в дело»). В основе этого – новые строительные материалы и технологии.

Цементный бетон – главный конструкционный строительный материал во всем мире. По объему производства и применения (более 10 млрд. м3 в год) он превосходит все другие материалы. Ему немногим более 180 лет и он, как никакой другой материал, постоянно совершенствуется по составу, технологиям и свойствам, главным из которых является прочность.

За последние 25 лет созданы бетоны нового поколения с прочностью 150-200 МПа (марка 1500-2000) и выше, которые можно производить на современных бетонных заводах. Высокопрочные (марок 1000-1500) и сверхпрочные (более 1500) бетоны позволяют в 2-3 раза уменьшить количество сжатых несущих конструкций и размеры их «сечений” (в меньшей степени – изгибаемых), на десятки процентов снизить их объем и массу, соответственно снижая расход бетона и стальной арматуры. Как следствие, при производстве ЖБК из высокопрочных бетонов и их монтаже существенно сокращаются энерго- и трудозатраты.

Экономическая эффективность перехода строительства на бетоны высоких марок не вызывает сомнений. Например, в США марка 1200 считается экономически обоснованной. Однако в реальной строительной практике России, в том числе и Татарстана, заводы ЖБИ производят конструкции из бетонов марок не выше М400 (в отдельных случаях М600-М700). Та же ситуация с монолитным бетоном.

На наш взгляд, это объясняется тем, что конструкторы и проектировщики, не зная достижений и возможностей бетонных технологий, закладывают в проекты типовые конструкции из бетонов «традиционных» марок. А технологи-бетонщики вынуждены лишь оптимизировать их составы с привычной целью снижения расхода цемента, тогда как следует экономить не цемент в бетоне, а бетон в конструкциях! Ведь высокопрочный бетон даже при большей стоимости, чем традиционный, позволяет снизить стоимость  конструкций, их монтажа и всего объекта в целом.

Экономия в цифрах

С целью технико-экономической оценки стратегии бетонного строительства в РТ по предложению директора ГЖФ РТ Абдуллина Т.М. был выполнен альтернативный проект несущего сборно-монолитного каркаса 18-и этажного жилого дома в комплексе «Салават Купере» - из высокопрочного бетона класса В80, взамен первоначального проекта из обычного бетона класса В25.

Жилой дом трехсекционный, каждая секция отделена деформационными швами. Общая высота здания – 57,6 м. Здание имеет: подвал высотой 3 м, первый этаж – 3,6 м, типовые жилые этажи – 2,8 м, технический чердачный этаж – 2,5 м. Результаты перепроектирования показали, что такая замена позволила:

- для свайного основания: уменьшить количество свай на 21%;

- для ростверков: уменьшить их количество при снижении расхода бетона на 23%, стали – на 22%;

- для колонн: уменьшить их количество и размеры поперечного сечения при снижении расхода бетона на 60%, стали – на 70%;

- для несущих стен: уменьшить их толщину с 250 до 200 мм при снижении расхода бетона на 20%;

- для перекрытий: уменьшить их толщину с 180 до 160 мм при устройстве обвязочных балок по внешнему периметру и снижении расхода бетона на 5%.

Сравнение общего расхода бетона и стальной арматуры по двум проектам представлено в таблице.

Общий сравнительный расход материалов на несущий железобетонный каркас 18-этажного жилого дома в комплексе «Салават Купере»

Уменьшение поперечного сечения колонн и стен позволило не намного, но прибавить полезную площадь помещений, а увеличенный шаг колонн дал возможность более свободной планировки квартир и размещения подземной автостоянки в подвальном этаже.

Применение высокопрочных бетонов в промышленном и транспортном строительстве может дать еще больший эффект, чем в жилищном. Однако для практической реализации перехода строительства на высокопрочные бетоны (ВПБ), требуется, во-первых, обновление всей проектно-конструкторской, технологической и нормативной документации. Это большая согласованная работа технологов, конструкторов-проектировщиков и экономистов.

Во-вторых, необходимо разработать составы высокопрочных бетонов и освоить их производство на заводах Татарстана (бетона для монолитного строительства и для производства сборных конструкций заводского изготовления).

В-третьих, убедить заказчиков и генподрядчиков в целесообразности применения высокопрочных бетонов, ввиду их высокой экономической эффективности при возведении объектов гражданского, промышленного и транспортного назначения.

Какова ситуация на сегодня?

ОАО «ГипроНИИавиапром» имеет опыт проектирования ЖБ конструкций из высокопрочных бетонов, и его специалисты - конструкторы, проектировщики и экономисты - способны выполнить любой проект промышленного и гражданского назначения с применением ВПБ.

Кафедра ТСМИК КГАСУ последние 10-12 лет занимается разработкой высокофункциональных бетонов, в т.ч. высокопрочных, как на высокопрочном привозном уральском щебне, так и на фракционированных песках речных месторождений Татарстана. Последний вариант – мелкозернистые (песчаные) бетоны - экономически более привлекателен, однако для этого необходимо организовать современное производство фракционированного песка (есть варианты). Кроме того, разработки кафедры в области полифункциональных добавок, функционализации наполнителей, а также применения доступных нанопродуктов, выпускаемых в Казани, позволяют получать высокопрочные мелкозернистые бетоны от жестких консистенций бетонных смесей до самоуплотняющихся.

Кафедра технологии строительных материалов, изделий и конструкций, совместно с Инжиниринговым Центром «Стройхимкомпозит» при КГАСУ может разработать любые бетоны «эконом-класса» на основе существующих на строительном рынке материалов: портландцемента, крупных и мелких заполнителей, молотых минеральных пород, химических добавок, нанопродуктов. А также обеспечить технологическое сопровождение производства конструкций из этих бетонов, армированных как стальной арматурой, так и полимеркомпозитной. Выполненные на кафедре в последние 3-4 года исследования по совместной работе полимеркомпозитной арматуры – ПКА (стекло- и базальтопластиковой) с бетоном и испытания опытных конструкций выявили потенциальные возможности ее эффективного применения. Однако более низкий (в 4-5 раз) модуль упругости, чем у стали, существенно ограничивает применение этой ПКА в изгибаемых конструкциях (балках, ригелях, плитах перекрытий и покрытий, фермах и др.). В то же время, выпускаемое компанией «Алабуга-Волокно» углеродное волокно, обладающее более высоким модулем упругости, чем у стали, позволяет получить ПКА не только с более высокой прочностью, но и с большим модулем упругости, чем у существующей на рынке ПКА. Это открывает возможность её экономически эффективного применения вместо стальной арматуры в тяжелонагруженных пролетных конструкциях из высокопрочного бетона.

По пути развитых стран

Кроме технико-экономических преимуществ, имеющих локальный характер, применение высокопрочных бетонов вносит существенный вклад в решение глобальной экологической задачи – снижение клинкероёмкости бетонного строительства, т.к. доля выбросов углекислого газа при производстве портландцемента составляет 7-8% от всего объема парникового газа, поступающего в атмосферу Земли. А поскольку высокопрочные бетоны позволяют на 25% снизить расход цемента в несущих конструкциях, то в развитых и развивающихся странах их применение становится одним из главных направлений инновационного развития строительства. Например, мощно развивающаяся Индия – страна с третьей экономикой мира после США и Китая, где доля строительства в ВВП составляет 23%, а по производству цемента она занимает второе место после Китая, ориентируется на строительство из высокопрочного бетона, а правительство этой страны координирует и стимулирует этот процесс.

Россия вошла во все мировые соглашения по охране окружающей среды и, подписав сопутствующие документы, например, о переходе на наилучшие доступные технологии, рано или поздно будет их выполнять. Это относится и к внедрению высокопрочных цементных бетонов в строительство.

Таким образом, научно-технический потенциал КГАСУ, вместе с ГипроНИИавиапромом и рядом проектных и инновационных фирм РТ позволяют уже сейчас начать работу по внедрению высокопрочных бетонов в строительный комплекс Татарстана. Безусловно, Минархстрой и ЖКХ, как «мозговой» центр строительной отрасли, должен взять на себя, как минимум, координирующие функции.

В решении этой важной стратегической задачи инновационного развития бетонного строительства (монолитного и сборного) – переходу на высокопрочные цементные бетоны – Татарстан имеет возможность стать лидером и примером для других регионов России.

Журнал "Стройэкспертиза"