О Рекомендациях по расчету и проектированию ограждающих конструкций с применением монолитного теплоизоляционного полистиролбетона
В.В. ГУРЬЕВ,
заместитель директора по научной работе, д-р техн. наук, проф.
В.М. ДОРОФЕЕВ,
руководитель отдела мониторинга и комплексного обследования зданий и
сооружений, канд. физ.-мат. наук
Ю.Ц. ГОХБЕРГ,
зав. сектором теплофизики, канд. техн. наук
Особо легкий монолитный полистиролбетон (марки по средней плотности от D150 до D350) - новый эффективный, экологически чистый, долговечный и надежный в эксплуатации стеновой материал, который становится все более востребованным на строительном рынке. Этот вид полистиролбетона отличается от традиционного, используемого для производства сборных стеновых изделий (блоки, перемычки), высокопоризованной (объем воздухововлечения до 30 %) и пластифицированной цементной матрицей. Технология его изготовления для применения в качестве монолитной теплоизоляции в ограждающих конструкциях, возводимых с несъемной опалубкой, разработана в 1997-1999 гг. и запатентована НИИЖБ.
Состав и технология приготовления полистиролбетонной смеси благодаря оптимальному сочетанию комплекса химических добавок и оптимизированному гранулированному составу заполнителя обеспечивают:
- перекачиваемость бетононасосами очень легких высокопоризованных бетонных смесей без расслаивания;
- укладку смесей в опалубку без виброуплотнения экструзионным способом, при этом структура уложенного бетона однородна и слитна;
- высокую жизнеспособность смесей - сохранение степени ее поризации, подвижности или текучести во времени до укладки ее в опалубку, что очень важно, если учесть возможные технологические перерывы в бетонировании.
Перечисленные свойства полистиролбетонной смеси в «деле» достигаются и за счет использования соответствующего технологического оборудования. Эти смеси приготовляют непосредственно на месте строительства объекта в малогабаритной мобильной установке (производительность от 1,5 до 6 м3/ч), транспортируют с помощью бетононасосов этой установки и укладывают с их же помощью в несъемную опалубку наружных стен или на утепляемые покрытия (перекрытия).
Применение монолитного теплоизоляционного полистиролбетона с высокопоризованной и пластифицированной матрицей (МПВМ) в наружных стенах вместо традиционного сборного варианта (для блочной стеновой кладки) дает возможность:
- отказаться от жесткого регламентированиия прочности бетона, которое необходимо для обеспечения сохранности геометрической формы блоков и перемычек при их транспортировании на стройплощадку, разгрузке и возведении стен, и уменьшить требуемую плотность монолитного полистиролбетона как минимум на 100 кг/м3 (с D300 для блоков до D200 для МПВМ), что обеспечивает снижение теплопроводности бетона и расчетной толщины стены;
- повысить коэффициент теплотехнической однородности и соответственно увеличить на 30 % и более сопротивление теплопередаче стены благодаря исключению кладочных швов из высокотеплопроводного цементно-песчаного раствора;
- снизить трудоемкость возведения стены не менее чем на 15 % и повысить индустриальность строительства.
В сравнении с другими видами традиционных теплоизоляционных бетонов, в частности ячеистых, применяемых в практике строительства как в монолитном, так и в сборном вариантах, МПВМ имеет ряд преимуществ, а именно:
- минимально возможные марки по плотности D150 и D200 для малоэтажного строительства, D200-D250 для зданий до 25 этажей, более чем в 2 раза меньший коэффициент теплопроводности λБ = 0,058...0,085 Вт/(м°·С);
- марка по морозостойкости (F) выше в 3-5 раз даже при меньшей плотности, особенно велика разница по сравнению с наименее морозостойким видом ячеистого бетона - автоклавным газосиликатом (МПВМ марки D200-D250 имеет F150-F200, а газосиликат марки D500-F35-F50);
- однородность по плотности и прочности выше в 1,5-2 раза;
- возможность обеспечить требуемое нормами твердение бетона при температуре до минус 15 °С, что подтверждается успешным опытом возведения в зимний период наружных стен и утепления покрытий зданий, построенных в Москве, Екатеринбурге, Ижевске, Северодвинске, Иркутске.
Базовые технические решения наружных стен зданий, возводимых с использованием МПВМ в несъемной опалубке, были разработаны в 1999-2000 гг. НИИЖБ при участии МНИИТЭП [1]. Эти решения применялись в дальнейшем региональными организациями при проектировании и возведении ненесущих наружных стен каркасных зданий. Стены возводились с использованием технических условий на МПВМ и технологического регламента по изготовлению, разработанных НИИЖБ, сертификата, выданного этим же институтом, с соответствующими заключениями по результатам испытаний на огнестойкость НИЦ «Огнестойкость ЦНИИСК» и по экологической безопасности Главного санитарного врача г. Москвы.
Применение МПВМ марок D200-D250 позволяет возводить практически однослойные стены в несъемной опалубке с жесткой объемной просечной оцинкованной сеткой при дальнейшем их торкретировании цементно-песчаным раствором. Требуемая толщина такой стены, определяемая теплотехническим расчетом для условий Москвы, составляет всего 35 см.
Такое техническое решение было реализовано при строительстве зданий делового комплекса «Царев сад» в Москве [2]. При использовании монолитного ячеистого бетона или стеновых блоков из газосиликата требуемая толщина стены была бы как минимум в 2 раза больше, а при применении блоков из недостаточно морозостойкого газосиликата потребовалось бы и дополнительное утепление стены с наружной стороны.
За 1998-2006 гг. на базе использования указанных документов рекомендательного и нормативно-технического характера были спроектированы, возведены или утеплены с применением МПВМ ограждающие конструкции зданий более чем в 20 регионах страны, причем в наибольших объемах в Карелии, на Урале и в Сибири. Успешный опыт проектирования, строительства и эксплуатации этих зданий, а также результаты натурных исследований [2] позволили сделать выводы:
- не только о высоких показателях (в первую очередь, теплотехнических) эксплуатационных качеств МПВМ, но и о высокой долговечности этого материала;
- об эффективности и надежности разработанных технологий и технологического оборудования, в частности, мобильной установки для приготовления высокопоризованных, пластифицированных и при этом не расслаивающихся полистиролбетонных смесей, а также их транспортирования и укладки с помощью бетононасосов в опалубку конструкции;
- о рациональности использования в разработанных проектах принципиальных технических решений наружных стен с применением МПВМ исходя из требуемых теплозащитных функций конструкций во время их эксплуатации, а также минимально возможной трудоемкости и экономической эффективности.
Следует заметить, что за рубежом монолитный полистиролбетон высоко оценивается как один из самых эффективных, надежных в эксплуатации, экологически чистых и долговечных стеновых теплоизоляционных материалов. Он успешно применяется в ограждающих конструкциях жилых и офисных зданий в странах Западной Европы, Скандинавии, в Канаде и США. В последнее время этот материал начали широко использовать в строительстве жилых зданий страны Юго-Восточной Азии (Индия, Китай, Япония, Тайвань) [3, 4].
Результаты научно-исследовательских, технологических и проектно-конструкторских работ, анализ отечественного опыта проектирования, изготовления, возведения и эксплуатации ограждающих конструкций зданий с использованием; МПВМ, а также анализ зарубежного опыта послужили базой, на основе I которой МНИИТЭП и НИИЖБ в 2005-2006 гг. разработали «Рекомендации по расчету и проектированию ограждающих конструкций с применением монолитного полистиролбетона с высокопоризованной и пластифицированной матрицей».
Рекомендации содержат основные данные и положения, необходимые для расчета и проектирования, изготовления и возведения ограждающих конструкций с использованием в качестве монолитной теплоизоляции МПВМ.
В разделе «Область применения и общие требования к ограждающим конструкциям с применением МПВМ» изложены рекомендации по использованию МПВМ в самонесущих (ненесущих) в пределах этажа наружных стенах жилых, общественных и административных зданий высотой до 75 м с различными пространственными конструктивными системами (монолитными, сборно-монолитными, сборными). Эти конструкции предназначаются для зданий первого класса по степени ответственности при расчетной зимней температуре наружного воздуха до минус 40 °С и ниже. В этом же разделе сформулированы требования к защите МПВМ в стеновых конструкциях для обеспечения их класса пожарной безопасности К0 (непожароопасные), даны рекомендации по обеспечению этой защиты. Особое внимание уделено требованиям по креплению стеновых конструкций к элементам несущего каркаса, даны рекомендации по обеспечению этих требований. Содержатся общие требования к прочности, деформативности и трещиностойкости ограждающих конструкций с применением МПВМ и рекомендации по их обеспечению.
В разделе «Показатели МПВМ для расчета и проектирования конструкций с его применением» приведены основные физико-механические и теплофизические характеристики МПВМ, необходимые для прочностных и теплотехнических расчетов при проектировании ограждающих конструкций. Нормативные и расчетные значения прочностных и деформативных характеристик даны в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие и марки бетона по плотности; показатели теплопроводности, теплоусвоения, паропроницаемости, морозостойкости и конечной усадки - в зависимости от вида вяжущего и марки бетона по плотности. Показатели огнестойкости характеризуют МПВМ как трудногорючий и трудновоспламеняемый материал с умеренной дымообразующей способностью. Применение МПВМ в наружных стенах зданий экологически безопасно.
В разделе «Технические решения самонесущих наружных стен с применением МПВМ с использованием несъемной опалубки и особенности их расчета» рекомендуются конструктивные решения стен со средним слоем из МПВМ при использовании в качестве наружных слоев конструкций несъемной опалубки в различных вариантах: из кирпичной кладки, кладки из мелких легкобетонных блоков, а также из объемных (сочетания плоских и гофрированных) просечно-вытяжных оцинкованных металлических сеток системы «Coffor». Предлагаются расчетные схемы работы элементов конструкций.
В технических решениях стен с использованием несъемной опалубки из кирпичной кладки для обеспечения совместной работы теплоизоляционного слоя из МПВМ и наружных слоев предусмотрена установка базальтопластиковых связей, заанкериваемых в затвердевшем цементно-песчаном растворе горизонтальных швов кладки. Необходимость в таких связях обусловлена разницей в коэффициентах теплопроводности и линейного температурного расширения материалов слоев, приводящей к различным деформациям. Предложена конструкция креплений стен к несущим элементам каркаса зданий. При расчете стены ее внутренний слой рассматривается как изгибаемая полистиролбетонная плита, свободно опирающаяся по краям на перекрытия и работающая на пролете, равном высоте этажа в свету.
Наружная стена с использованием несъемной опалубки из объемных жестких просечных металлических сеток с последующим их торкретированием является, по существу, однослойной. Предложены крепления стен к элементам несущего каркаса. При расчете стены по предельным состояниям конструкция разделяется на два условно независимых элемента: вертикальный и горизонтальный, которые рассчитывают по различным схемам.
Раздел «Основные положения по изготовлению МПВМ и возведению наружных стен с его применением при бетонировании в несъемной опалубке» посвящен возведению наружных стен при их поэтажном опирании на перекрытия и креплении к элементам несущего каркаса зданий. Приведены рекомендации по устройству монолитной теплоизоляции из МПВМ в слоистой стене непосредственно на строительном объекте и по размещению необходимого для этого технологического оборудования, изложены требования к технологии приготовления и составу полистиролбетонной смеси, по контролю качества составляющих ее материалов. Даны рекомендации по маркам МПВМ в зависимости от этажности возводимого здания. Для каждого из технических решений наружных стен имеются указания по технологии их возведения, включая установку связей и арматуры, порядок установки несъемной опалубки и последовательность возведения наружных стен с применением МПВМ.
В разделе «Технико-экономические показатели наружных стен, возводимых с применением МПВМ при использовании несъемной опалубки» приведены результаты сравнения стоимости и трудозатрат предлагаемых в Рекомендациях технических решений конструкций наружных стен с конструкциями-аналогами - широко применяемыми трехслойными наружными ненесущими стенами со средним слоем из плитных утеплителей «Венти-Баттс» и «Стиродур». В наружном и внутреннем слоях предусмотрена кирпичная кладка в полкирпича (1-й вариант) или в наружном слое - кирпичная кладка, а во внутреннем - блоки из ячеистого бетона (2-й вариант). Слои стены объединялись либо оцинкованной металлической сеткой, либо гибкими связями (базальтопластиковыми или оцинкованными металлическими).
Результаты сопоставления показали, что разработанные в Рекомендациях конструкции наружных стен с применением МПВМ в несъемной опалубке различных видов обеспечивают более высокие теплозащитные функции при эксплуатации, большую надежность и долговечность по сравнению с конструкциями-аналогами, а также характеризуются меньшей на 10-30 % стоимостью 1 м2 стен и меньшими на 10-25 % трудозатратами на возведение стен.
Кроме того, сочетание в разработанных решениях конструкций стен материалов с МПВМ создает более благоприятные условия для влагомассопереноса через стену, что обусловлено близостью значений коэффициентов паропроницаемости этих материалов.
МНИИТЭП и НИИЖБ могут оказать научно-техническую помощь проектным и строительным организациям:
- в привязке имеющихся в «Рекомендациях» технических решений наружных стен с использованием МПВМ к проектам конкретных зданий;
- в выдаче технических условий на полистиролбетонные смеси для устройства монолитной теплоизоляции в слоистых стенах, технологических регламентов на приготовление смеси на строящемся объекте, ее транспортирование и укладку в опалубку с помощью бетононасоса; в авторском надзоре и мониторинге возведения стен с монолитной теплоизоляцией из МПВМ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ярмаковский В.Н., Шапиро Г.И. Монолитный полистиролбетон - надежная теплозащита зданий // Пром. и гражд. стр-во. 2002. № 9.
2. Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. Модифицированный полистиролбетон в ограждающих конструкциях зданий и инженерных сооружений // Строит, материалы и архитектура. 2004. № 2.
3. Perry S.H., Bischoff P.H., Yamura К. Mix detail and material Sehavior of polysterene aggregate concrete // Magazine of Concrete Research. 1991. March.
4. Properties of lightweight expanded polysterene concrete // Recommendations of the Department of Civil Engineering, Shanghai University (China), Texas University (USA) «Cement and Concrete Research». 2004. July. V. 34
(Журнал «Промышленное и гражданское строительство» № 5 2007 г.)