Комплексный подход к быстрому восстановлению разрушенных зданий и сооружений-вклад в развитие экономики замкнутого цикла

Технологии интеллектуального строительства 2022 год выпуск 3

Комплексный подход к быстрому восстановлению разрушенных зданий и сооружений-вклад в развитие экономики замкнутого цикла

Комплексный подход к быстрому восстановлению разрушенных зданий и сооружений-вклад в развитие экономики замкнутого цикла

В предлагаемой статье приведен анализ современных технологий скоростного строительства в России и за рубежом, показана эффективность быстрого возведения трубобетонных каркасов на болтовых соединениях на месте разрушенных зданий, в том числе с использованием сохранившихся фундаментов и каменных отходов, перерабатываемых в новые качественные бетоны на основе наноцементов непосредственно на участке строительства. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований и испытаний по подбору составов и определению строительно-технических свойств бетонов на основе каменных отходов сноса.

Быстровозводимые сборные каркасы домов

Трубобетон — уникальная по своей несущей способности, сейсмоустойчивости и пожаробезопасности конструкция, разработанная в начале прошлого века отечественными учеными. В 1932 году впервые в СССР были опубликованы расчеты трубобетонных конструкций профессора А. А. Гвоздева. Прекрасные конструкционные и строительно-технические свойства трубобетона позволяют сегодня строителям Японии, США, Франции, Германии, КНР и других стран эффективно использовать его в самых разных областях строительства и, в частности, таких ответственных, как мосто- и метростроение, а также при возведении торговых, культурных, промышленных и жилых зданий, а в последние десятилетия — в высотном строительстве.

К сожалению, в России применение трубобетонных конструкций не получило широкого распространения до настоящего времени. Технологическая отсталость российских строителей не дает возможности решить главную задачу — снизить стоимость жилья, так как в стране используется давно устаревшая технология монолитного домостроения, которой характерны перерасход металла и бетона, а также длительный срок возведения коробок зданий и сооружений. Особенно сложным и дорогостоящим процесс строительства становится в зимний период твердения монолитных бетонных конструкций.

Наиболее широко трубобетон начал применяться в последние десятилетия в КНР, где создана нормативная база его использования и ежегодно строятся тысячи высотных сейсмостойких зданий из трубобетонных конструкций. Опыт китайских строителей базируется на научных работах российских, украинских и белорусских инженеров и ученых, а также на советских стандартах. Труды А. А. Гвоздева, В. А. Росновского, Л. И. Стороженко, А. И. Кикина, Р. С. Санжаровского и других специалистов НИИЖБ, ЦНИИСК и других институтов бывшего СССР легли в основу китайской в частности и мировой в целом нормативной базы по трубобетонным конструкциям.

Строители Китайской Народной Республики (наши бывшие ученики) сегодня ставят мировые рекорды по скорости строительства и эффективности применения сборных конструкций. Так, китайская компания Broad Sustainable Building в январе 2012 года всего за 15 дней построила в провинции Хунань и сдала в эксплуатацию 30-этажный пятизвездочный отель с полной комплектацией и отделкой. Здание отеля на 93 % выполнено из сборных конструкций и комплектующих (рис. 1). Видеоролик с демонстрацией и хронометражем всех этапов строительства этого отеля все желающие могут увидеть на видео-канале компании BROAD Group в сети Интернет. Общая площадь здания составила 17 тыс. м2. Отель включает 316 номеров, 32 люкса, восемь посольских люксов и два президентских номера. Кроме того, в здании расположены ресторан, бар, тренажерный зал и бассейн на верхнем этаже, есть вертолетная площадка и подземная стоянка на 73 автомобиля.

Строение возведено в расчете на устойчивость при 9-балльном землетрясении и оснащено современными энергосберегающими системами жизнеобеспечения. Стоимость строительства супер-современного здания составила 17 млн долл. США, то есть 1 тыс. долл. за 1 м2. Стоит заметить, что кроме этого отеля компанией реализованы и многие другие проекты быстровозводимых зданий. Следует признать, что виртуозное умение китайских проектировщиков и строителей применять на практике знание строительной науки не может не вызывать искреннего восхищения!

Однако не без гордости отметим, что и в России есть примеры успешного развития технологий быстрого строительства. Специалистами Международного института материаловедения и эффективных технологий (Международный ИМЭТ, г. Москва) разработан и в настоящее время патентуется способ скоростного восстановления разрушенных домов различной этажности посредством возведения новых каркасов из трубобетонных сборных конструкций. Строительство зданий по данной технологии может осуществляться в том числе на существующих фундаментах разрушенных домов, что особенно важно для оперативного восстановления объектов инфраструктуры населенных пунктов, пострадавших в результате воздействия опасных природных и антропогенных явлений. Новая архитектурно-строительная система «ИМЭТ» позволяет с высокой скоростью возводить сборный несущий каркас: за несколько дней для малоэтажных домов и за несколько недель для зданий до 19–22 этажей.

Рис. 1. Скоростное сборное строительство отеля Т 30 в провинции Хунань (КНР)

В развитие архитектурно-строительной системы нами предложены технические решения, изло-женные в патентах РФ № 2 241 100 и № 2 342 501 «Трубчатая строительная конструкция» и описывающие сопряжения трубобетонных колонн по вертикали и их стыкование с конструкциями-ригелями и перекрытиями. Несущая способность трубобетонных колонн рассчитывается в соответствии с СТО 36554501–025–2011 «Трубобетонные колонны», разработанным НИИЖБ им. А. А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» совместно с ЗАО «ИМЭТСТРОЙ» (с участием М. Я. Бикбау). Ригели для соединения трубобетонных колонн по горизонтали предусматривается изготавливать по нашему патенту РФ № 2 352 737 «Напрягаемый арматурный элемент».

Для иллюстрации рассматриваемых технических решений на рис. 2 показана трубобетонная колонна, готовая для сборки.

Рис. 2. Трубобетонная колонна: а — в сборе (фрагмент высотой в три этажа); б — вариант крепления трубобетонной колонны к фундаменту с помощью анкеров

На рис. 3 приведен типичный план опорной пластины 1 для сборки стыка трубобетонных колонн 2 по вертикали и ригелей по горизонтали с отверстиями 3 для крепежных болтов.

Рис. 3. Опорная пластина (в плане) для торцов трубобетонных колонн (а) и трубобетонная колонна в верхней части конструкции (б):
1 — опорная пластина; 2 — трубобетонная колонна; 3 — отверстия в пластине для крепежных болтов; 4 — косынки опорные в верхней части колонны под пластинами

Применение сборных трубобетонных колонн на болтовых креплениях позволяет строить сетку колонн на расстоянии от 6 до 8 м друг от друга и выбирать высоту межэтажных перекрытий в пределах от 3,5 до 4,5 м. Ригели (рис. 4) соединяются с колоннами по горизонтали также болтовым креплением на опорных пластинах.

Рис. 4. Ригель напряженный с повышенной несущей способностью:
а — вертикальный разрез по армирующему элементу;
б — разрез ригеля поперечный для боковых колонн здания;
в — разрез ригеля поперечный для внутренних колонн здания;
1 — обойма (квадратная или круглая в сечении труба);
2 — раствор в обойме;
3 — анкеры концевые;
4 — армирующий элемент для напряжения;
5 — бетон ригеля;
6 — арматура ригеля обычная;
7 — отверстия для болтов М10;
8 — нижняя опорная пластина ригеля

Предлагаемые трубобетонные конструкции характеризуются следующими особенностями:
• высокая скорость возведения каркасов (в 3–4 раза превосходит скорость сооружения классического сборного железобетона);
• выполнение стальной трубой роли первичного каркаса здания и несъемной опалубки для бетона;
• высокая несущая способность трубобетонных колонн;
• эффективная работа стальной обоймы-трубы вместо арматуры;
• повышенные показатели прочности, долговечности и стойкости бетона, находящегося в трубе;
• трехосное сжатие бетона, находящегося в трубе;
• повышенная огнестойкость стальных конструкций каркаса;
• высокая стойкость здания к сейсмическим воздействиям, взрывам, предельным нагрузкам и ударам;
• снижение массы коробки здания;
• сокращение сроков строительства коробок зданий и сооружений в 1,5–2 раза, возможность проведения работ по возведению сборных каркасов как в летнее, так и в зимнее время;
• снижение себестоимости строительства зданий на 25–30 %.

Для производства бетона в качестве крупноразмерного заполнителя предлагается использовать каменные отходы строительства и сноса (КОСС). Рассматриваемая технология быстровозводимых каркасных трубобетонных зданий предполагает применять два вида бетонов на основе строительных отходов: тяжелые плотностью около 2000–2200 кг/м3 для изготовления перекрытий, ригелей и несущих перегородок и легкие плотностью в деле 700–900 кг/м3 для изготовления энергосберегающих теплых стен по технологии «КАПСИМЭТ» на основе смеси гранулята из просыпи каменных отходов и легкого керамзитового гравия (например, марки М200 рязанского завода «Керамзит»).

Технология «КАПСИМЭТ»

Суть новой технологии «КАПСИМЭТ» заключается в капсуляции цементным молочком керамзитового гравия или другого гранулята и его укладке в формы или межпалубное пространство. Реализация данной технологии осуществляется ОАО «Московский ИМЭТ», ЗАО «ИМЭТСТРОЙ» и ООО «Международный ИМЭТ» уже более 30 лет в малоэтажном строительстве — в Москве, Московской, Самарской, Тверской и других областях по данной технологии уже построены сотни зданий. Разработано и используется созданное также впервые в мире оригинальное оборудование для капсуляции крупных заполнителей.

Технология отличается минимальным расходом цемента: он составляет 100–140 кг на 1 м3 стены. Ограждающие конструкции опираются на перекрытия. Толщина стен для климатических условий Москвы составляет около 400–450 мм при объемной массе, равной 450–550 кг/м3, и термическом сопротивлении R0 в пределах 3,5– 3,7 (м2·°C)/Вт, что полностью удовлетворяет требованиям к теплозащите наружных стен зданий. Наиболее важные достоинства «КАПСИМЭТ» — максимально эффективное использование крупного заполнителя не- посредственно в ограждающей конструкции и низкая сорбционная способность (материал поглощает не более 1–1,5 % влаги), хорошая паропроницаемость. Бетон «КАПСИМЭТ» на основе керамзитового гравия имеет коэффициент паропроницаемости 0,14–0,20 мг/(м∙ч∙Па). Для сравнения приведем значения коэффициента паропроницаемости для наиболее распространенных материалов, мг/(м∙ч∙Па): пенополистирол — 0,03–0,05; железобетон — 0,03; керамзитобетон — 0,09–0,14; кирпич обыкновенный глиняный — 0,11; кирпич керамический пустотелый — 0,14; бетон ячеистый (М300) — 0,14–0,25.

Материал характеризуется морозостойкостью не менее 100 циклов, негорючестью, огнестойкостью в изделиях и конструкциях не менее 4 часов и экологической безопасностью. С течением времени наблюдается карбонизация цементной оболочки материала стен, повышающая их прочность.

Одним из главнейших свойств материала для строительства стен домов является воздухопроницаемость, определяющая комфортность жизни в помещениях. Если значение сопротивления воздухопроницанию Ru для традиционного бетона составляет около 20 000 (м2·ч·Па)/кг, то «КАПСИМЭТ» по этому параметру соответствует известняку-ракушечнику с Ru ~ 6–10 (м2·ч·Па)/кг. Этим объясняется тот факт, что в домах со стенами из материала «КАПСИМЭТ» прекрасно дышится, так как через их массив происходит воздухообмен с окружающей средой, это решает проблему недостатка кислорода во внутренних помещениях, сохраняется сухой микроклимат. Коэффициент комфортности наружных стен, построенных по данной технологии, составляет 1,4.

Следует обратить внимание на тот факт, что использование капсуляции легких заполнителей, выступающих в бетоне «КАПСИМЭТ» не пассивными, а сотообразующими, то есть основными элементами структуры, позволяет эффективно решать не только проблему утепления, но и звукоизоляции зданий: индекс звукоизоляции материала Rw > 60 дБ. Важно отметить, что созданы не только материал и технология «КАПСИМЭТ», но и оборудование, работающее в условиях как производственных, так и строительных площадок, в том числе на перекрытиях возводимых зданий.

Материал «КАПСИМЭТ»: а — образец плотностью 620 кг/м3; б — в качестве объемного заполнителя наружной стены строящегося дома с каркасом из трубобетона (пос. Немчиновка Московской области, 2007 год)

Переработка каменных строительных отходов

При сносе зданий образуются, как правило, отходы следующих видов: загрязненный грунт, лом асфальта, кирпича, бетона и железобетона, куски пластмассовых, древесных, каменных материалов, керамической плитки и т. д. Наиболее распространенным методом утилизации строительного мусора является его захоронение, при этом полигоны занимают обширные площади и к тому же служат источником химического и бактериального загрязнения почв, грунтовых и подземных вод. Эти архиважные экологические аспекты побуждают к использованию более прогрессивных способов утилизации отходов строительства и сноса — переработки и депонирования. Комплексная переработка бытовых и промышленных отходов рассмотрена нами в работе Бикбау М. Я. Новые технологии переработки бытовых и промышленных отходов // Строительные материалы, оборудование и технологии ХХI века. — 2018. —№ 11–12. — С. 54 -62.

Переработка является наиболее экологичным методом обращения с отходами, образующимися в процессе строительства, реконструкции и сноса зданий и сооружений. Вместе с тем, экологичность — не главное достоинство этого метода. Практически все строительные отходы можно перерабатывать для повторного использования с получением строительных материалов пониженной себестоимости. Процесс переработки (рециклинга) КОСС включает четыре стадии (рис. 5).

Рис. 5. Основные этапы переработки строительного мусора

Процесс разборки зданий механизирован: современные экскаваторы и манипуляторы способны технологично проводить операции по демонтажу зданий и фракционированию отходов сноса. К сожалению, большая часть полученного вторичного сырья является неполноценным строительным материалом и обладает ограниченной областью применения из-за более низкого качества готовой продукции по сравнению со строительными материалами, производимыми из первичного сырья. В частности, при разделении КОСС образуется около 30–35 % масс. фракции менее 5 мм (просыпи), применение которой, по данным различных исследователей, значительно —до 40–45 % — снижает прочность вторичных бетонов.

В этой связи известные технические решения по переработке КОСС для производства бетонов включают различные приемы: например, повышение расхода портландцемента в бетонных смесях, включение в состав бетонных смесей пластификаторов и супер-пластификаторов, тонкомолотых дисперсий, что удорожает себестоимость новой продукции из бетонов на основе вторичных заполнителей.

В диссертационной работе (Сайдумов М. С. Отсевы дробления бетонного лома и горных пород для получения бетонных композитов: автореферат дис.… кандидата технических наук:05.23.05 / Сайдумов Магомед Саламувич [Место защиты: Белгород. гос. технол. ун-т им. В. Г. Шухова]. — Белгород, 2012. — 24 c.) показана возможность повышения прочности бетонов за счет механоактивации бетонных смесей на основе природных заполнителей и отходов бетонного лома. Механическая или химическая активация смесей (разрушение слабых зерен щебня или удаление остатков цементного камня) измельчением бетонного щебня в шаровых мельницах позволяет улучшить его характеристики. Наиболее высоких показателей при реновации городских территорий и дорожных покрытий достигают в случае использования материала, полученного в результате помола дробленого бетона с применением стальных шаров после предварительного низкотемпературного (при 600–800 °C) обжига. Однако это решение является весьма энергозатратным и трудоемким для переработки бетонного лома отходов строительства и сноса.

Для лучшего понимания сущности разработанной комплексной технологии нами были проведены эксперименты по производству гранулята и бетона на его основе с использованием просыпи (фракции отсева менее 5 мм), отобранной на линии дробления домодедовского завода ООО «Промышленный экологический оператор» вместе со вторичным щебнем фракции 5–20 мм (рис. 6).

Рис. 6.Фракции просыпи с размером частиц менее 5 мм (а) и вторичного щебня (б) после дробления и разделения отходов строительства и сноса

Химический состав просыпи и наноцементов приведен в табл. 1.

На начальном этапе на основе просыпи и наноцементов готовили гранулят фракции 10–30 мм в тарельчатом грануляторе ООО «ИМЭТСТРОЙ» окатыванием смесей с водой.

Согласно результатам рентгеновского количественного анализа, выполненного в НИИЦемент на установке «ДРОН‑2», приведенная в табл. 1 просыпь дробления КОСС представляет собой дисперсную смесь, содержащую в основном кварцевый строительный песок, гидроксид кальция, гидратированный портландцемент и небольшое количество мелких частиц известняка в следующем процентном соотношении: кварц — 64; известняк — 8; гидроксид кальция — 5; аморфный материал (гидросиликаты кальция) — остальное.

Полученный гранулят (табл. 2) перед испытаниями на дробимость твердел при нормальных воздушно-влажных условиях в течение 24 часов или при изотермической выдержке при 50 °C в течение 6 часов. В обоих вариантах результаты испытаний на дробимость были близки: партии гранулята в сухом состоянии показали среднюю потерю массы от 13–15 % до 11–13 %, что соответствует прочности искусственного щебня марок М800 и М1000 по ГОСТ 23845–86.

Такие высокие показатели связаны со следующими особенностями гранулята на основе мелкой фракции КОСС:
• применение наноцементов в качестве вяжущего;
• отсутствие лещадности;
• отсутствие пылеватой и глинистой фракций.

Перед приготовлением бетонных смесей гранулят на основе просыпи рекомендуется дробить для получения более шероховатой и развитой поверхности в бетонах (рис. 7). Разработанное нами новое оборудование для производства гранулята успешно применяется при строительстве теплых энергосберегающих стен домов и дренирующих оснований дорог.

Рис. 7. Гранулят фракции 10–20 мм на основе просыпи и наноцемента (а) и дробленый гранулят для использования в качестве крупного заполнителя в бетонах (б)

Предлагаемая комплексная технология позволяет эффективно использовать дробленый гранулят из техногенных отходов в качестве искусственного крупного заполнителя в бетонах на основе наноцементов. Экспериментальная реализация данной технологии была осуществлена в цехе «ИМЭТСТРОЙ» на примере приготовления и испытаний составов бетонов согласно табл. 3.

Прочность на сжатие и изгиб, плотность бетонов и водонепроницаемость определяли на стандартных образцах по ГОСТ 12730.0 -78, а морозостойкость оценивали ускоренным дилатометрическим методом согласно ГОСТ 10060.3–95. Фотографии типичного образца бетона на основе КОСС приведены на рис. 8. На изображении сечения образца хорошо видны все составляющие бетона.

Рис. 7. Гранулят фракции 10–20 мм на основе просыпи и наноцемента (а) и дробленый гранулят для использования в качестве крупного заполнителя в бетонах (б)

Отличные показатели, полученные в результате испытаний бетонов, изготовленных с применением в качестве крупного заполнителя вторичного щебня и гранулята из КОСС, обусловлены высокой гидравлической активностью наноцементов, образованием плотного контакта цементно-песчаного камня даже на слабых зернах щебня и формированием плотной высокопрочной непроницаемой микроструктуры цементного камня, что подтверждается интенсивным набором прочности образцов бетона уже в начальные сроки твердения.

Упрощенный вариант химической реакции, необходимой для формирования портландцементного камня, с указанием начального и конечного составов реагентов можно представить следующим образом: 3CaO ∙ SiO2 + 3H2O + SiO2 = 2(CaO ∙ SiO2 ∙ H2O) + Ca(OH)2

В сформировавшемся цементном камне присутствует два вида гидратных минералов — гидросиликаты кальция и гидроксид кальция в массовом соотношении 85:15 cоответственно. Казалось бы,содержание гидроксида кальция невелико, но именно его присутствие значительно ухудшает строительно-технические свойства цементного камня, и прежде всего прочность, в связи с пластинчатой, слоевой морфологией кристаллов гидроксида кальция, по которым обычно проходит разлом материалов, и их склонностью к перекристаллизации при изменении влажности окружающей среды. Именно поэтому для повышения прочностных свойств цементного камня было бы желательно отсутствие в нем гидроксида кальция, но еще эффективнее — связывание гидроксида кальция в более прочный и долговечный гидросиликат кальция, что может происходить в процессе прямой реакции высокодисперсных реагентов: Са(ОН)2 + SiO2 = CaO ∙ SiO2 ∙ H2O

Такая реакция происходит в разработанных нами малоклинкерных наноцементах, где она обеспечивается уровнем дисперсий тонкоизмельченного вместе с цементом кремнезема (с размером частиц от нескольких десятков до сотен нанометров), сопоставимым с размерами частиц цемента. Это подтверждает сравнение содержания гидроксида кальция в бетонах (табл. 4), изготовленных на основе обычного портландцемента и малоклинкерных наноцементов (составы соответственно с 75, 50 и 40 % масс. клинкера, а остальное в них тонкоизмельченный вместе с портландцементом и модификатором кварцевый песок).

Приведенные данные иллюстрируют эффективность применения высокодисперсных наноцементов с тонкоизмельченными кремнеземистыми или алюмосиликатными минеральными добавками, что согласуется с классическими представлениями о взаимосвязи дисперсности частиц портландцемента со способностью формировать более прочную структуру цементного камня.

Выдающиеся советские ученые внесли неоценимый вклад в новое понимание значимости тонкого измельчения дисперсий в системах с вяжущими материалами. Йоханнес Александрович Хинт разработал метод тонкого измельчения и механохимической активации кварцевых песков в дезинтеграторах, который лег в основу технологии силикальцитных изделий, реализованной на сотнях предприятий в СССР и за рубежом. К сожалению, эта передовая технология сегодня во многом забыта у нас из-за одного недостатка — активного износа стальных бил в дезинтеграторах, однако в других странах она находит свое применение. К примеру, технология силикальцитных изделий Й. А. Хинта лежит в основе всей строительной индустрии Японии и широко применяется в этой стране при изготовлении панелей и других изделий сборных домов (в чем один из авторов настоящей статьи убедился во время посещения Японии в 1989 году в составе правительственной делегации).

Реологическая матрица бетонных смесей на основе наноцементов с повышенным содержанием в воде высокодисперсных частиц цемента и кварцевого песка насыпной плотности, близкой к плотности воды, обеспечивает при минимальном водосодержании даже без суперпластифицирующих добавок возможность свободного перемещения частиц песка и щебня в растворах и обеспечивает высокую подвижность (текучесть) цементно-песчаных смесей.

Разработанные составы бетона на основе малоклинкерных наноцементов (наноцементов 30, 35, 45 и 55) с включением значительного количества — до 80 % масс. — техногенных каменных отходов отличаются весьма высокими строительно-техническими свойствами, что объясняется наличием в наноцементах тонкоизмельченных и активированных кремнеземистых добавок, при гидратации которых в растворах происходит взаимодействие гидроксида кальция, образующегося в твердеющем цементе, с диоксидом кремния с образованием гидросиликатов кальция по указанной выше прямой реакции.

Необходимо отметить, что даже при рекордно малом количестве портландцемента в бетонной смеси наблюдается интенсивный рост прочности цементного камня в бетонах на основе наноцементов. При этом обеспечение основных показателей (высокой прочности, водонепроницаемости, морозостойкости), отвечающих требуемому качеству бетонов, возможно при применении КОСС в роли заполнителей со значительно более низким расходом портландцемента для реализации программ реновации и восстановления разрушенных зданий и сооружений в разных регионах нашей страны.

Рис. 9. Дом общей площадью 540 м2, построенный в пос. Гвардейское Багратионовского р-на Калининградской области для многодетной семьи по технологиям «КАПСИМЭТ» и быстровозводимых каркасных трубобетонных зданий:
а — вертикальный разрез дома (выделен каркас из трубобетона в опорных стаканах);
б — сопряжение трубобетонной колонны с перекрытием;
в — общий вид дома

Кроме того, как показано на рис. 9, предлагаемый гранулят на основе гравия или техногенных каменных отходов помимо его применения в тяжелых и легких бетонах может также эффективно использоваться как товарный продукт для изготовления дренирующих бетонов, эффективных для устройства оснований автомобильных и железных дорог, строительства дренажных систем для отвода талых и дождевых вод, при противооползневых мероприятиях, для укрепления береговых откосов, возведения фильтрующих воду подпорных стенок различных дорожных и гидротехнических, в том числе земляных, сооружений в виде дамб и плотин.

Журнал Технологии интеллектуального строительства №3 2022
М. Я. Бикбау, д. х. н., академик РАЕН, генеральный директор
А. А. Фролов, главный инженер
А. С. Бодров, экономист
Д. Н. Сафин, заместитель генерального директора по проектным работам
А. В. Хорев, инженер
ООО «Международный ИМЭТ» (г. Москва)