СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРИЗОВАННОГО БЕТОНА

Комплексная оценка современных технологий и выбор направления исследования

Анализ показывает, что стоимость строительных материалов в жилищном строительстве достигает 50-60% сметной стоимости объектов. В связи с этим одним из наиболее эффективных способов снижения стоимости жилых домов является уменьшение материалоемкости их конструкций. Для реализации этой цели наряду с высокопрочными материалами применяются нетрадиционные материалы, сочетающие достаточную конструктивную прочность с понижен­ной средней плотностью. К их числу относятся легкие конструкционно - тепло­изоляционные бетоны.

Сравнение технико-экономических показателей традиционных стеновых материалов с сопоставимыми изделиями из легких бетонов показывает, что по­следние по ряду важных показателей превосходят аналогичные по назначению конструкции. Это подтверждается опытом применения легкого бетона в Рос­сии, а также в странах ближнего и дальнего зарубежья [1, 19-21, 72, 102].

Таким образом, возникает потребность в поиске и создании новой про­грессивной технологии по использованию в малоэтажном жилищном строи­тельстве нетрадиционных видов легких бетонов с оптимизированными несу­щими и ограждающими свойствами.

В целом, на основе проанализированных источников [1, 20, 60-85], можно представить структурную схему выполнения научных исследований, отраженную на рис. 1.1.

В связи с постоянным удорожанием топлива особо остро встает вопрос об экономии тепловой энергии в жилых зданиях. В соответствии с изменением №3 к СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» от 1995 г. на первом эта­пе до 2000 года предусматривается увеличить сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций в 2-3 раза, а на втором этапе - в 3-4 раза по срав­нению с нормативами действующих в настоящее время СНиП.

19

Среди технологий использования теплоизоляционных материалов вы­деляются следующие основные группы (рис. 1.2).

Анализ научно-технической литературы показал, что по состоянию на 2000 г. соотношение различных видов теплоизоляционных материалов на рынке Санкт-Петербурга сложилось следующим образом (рис. 1.3) [34- 37].

Одним из важнейших аспектов выбора рационального теплоизоляцион­ного материала для современного жилищного строительства являются его по - 20

8

Рис. 1.3. Соотношение различных видов теплоизоляционных материалов в

Санкт-Петербурге: 1 - стекловата; 2 - пенополистирол; 3 - базальтовая вата; 4 - пенополиуретан; 5 - пакля; 6 - асбестосодержащие материалы; 7 - пенополиэтилен; 8 - поролон и др.

Жарные характеристики. Согласно международного метода испытания ISO 1182 материал определяется как несгораемый, если при температуре 750°С он не выделяет излишней энергии - не загорается и не начинает тлеть сам. Огнестойкость - второе важное свойство теплоизоляционных материалов. Если несгораемость определяет способность материалов не загораться, то огнестойкость - сохранение материалом свойств в услови­ях высоких температур. Несгораемость в настоящее время повышается с помощью химических добавок, препятствующих горению - антипиренов.

Сравнительный анализ плотности и теплопроводности основных теп­лоизоляционных материалов приведен на рис. 1.4.

Важной характеристикой теплоизоляционных материалов является их объемность, которая затрудняет транспортировку.

Активно производившимися материалами в России являются асбест и пакля. В настоящее время страна обладает обширной сырьевой базой для

21

Плотность,

, 3

(кг/м )

1000 т

0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Рис. 1.4. Зависимость между плотностью и теплопроводностью основных теп­лоизоляционных материалов:

1 - пенополистирол; 2 - пенополиуретан; 3 - маты минераловатные; 4 - пено­полиуретан; 5 - маты минераловатные; 6 - пенополиуретан; 7 - маты минерало­ватные; 8, 9 - плиты минераловатные; 10 - бетон ячеистый; 11 - плиты фибро­литовые; 12 - плиты минераловатные; 13 - сосна поперек волокна; 14 - плиты фибролитовые; 15 - бетон ячеистый.

Добычи необходимого сырья. В строительстве асбест представлен листо­выми материалами, асботканью, шнуровым материалом и крошкой. Стоимость материала колеблется от 3,6 до 25 руб/кг. Стоимость пакли составляет от 6 до 20 руб/кг. При этом, главным ее недостатком является горючесть, что требует надежной обработки антипиренами. Среди мине­ральных ват следует выделить материалы на базальтовой (каменная ва­та) и кварцевой основе (стекловата). Достоинством базальтовой ваты является ее огнестойкость, приближающаяся к керамическим материалам, при незначительном весе (50-200 кг/м3). Однако относительно высокая стоимость

22

Является фактором, препятствующим ее широкому распространению. Так, ку­бометр мягкой базальтовой ваты стоит от 900 руб (Rockwool). В то же время стекловата стоит около 45 руб/м3. Анализ показал, что высокая стоимость явля­ется в данном случае следствием энергоемкости производства материала. Так, по данным отечественных производителей базальтовой ваты (ФНПЦ «Алтай»), энергозатраты составляют до 130 кВт/м3 материала [34-36]. По сравнению с ба­зальтовой стеклянная вата имеет меньший предел огнестойкости. Крупнейши­ми производителями утеплителей на основе стекловолокна являются ISOVER (Финляндия) и PFLEIDERER (российско-немецкое предприятие).

Исследование показало, что технологии минераловатных утеплителей це­лесообразно применять на тех участках здания, где требуется обеспечить эф­фективную теплоизоляцию без существенного увеличения нагрузки на здание. В настоящее время широко применяются две технологии утепления наружных стен с этими материалами. Первый вариант заключается в устройстве конст­рукции из теплоизоляционных плит и облицовочных элементов с вентилируе­мым пространством между ними. При этом, воздушное пространство между плитами и отделкой обеспечивает требуемую вентиляцию слоистой конструк­ции, предотвращая образование и накопление влаги в элементах. Второй вари­ант теплоизоляции заключается в устройстве конструкции безвоздушного зазо­ра - «теплошубы». В данном случае установки минераловатные плиты должны быть защищены паронепроницаемой пленкой. При внутреннем утеплении пли­ты крепятся к стене и закрываются плотной отделкой, например, гипсокарто - ном.

Отметим, что для технологии индивидуального жилищного строительст­ва минераловатные материалы целесообразно применять как в панельной, так и в каркасной схеме. Особенно это существенно при использовании деревянного каркаса, так как в случае возникновения пожара на определенное время замед­ляется разрушение конструкций и повышается пожаробезопасность жилого до­ма.

23

Известны также технологии использования пенополистирола (пенопла­ста) в жилом строительстве. Среди них выделяются экструдированный и вспе­ненный полистиролы. Отметим, что они сертифицированы для применения в качестве негорючих материалов и при нагреве не выделяют ядовитых веществ. Большая часть пенополистирола производится на импортных линиях из зару­бежного сырья. Наиболее активными производителями являются отечествен­ные предприятия с линиями BASF и Knauf (Германия), Neste (Финляндия). Од­нако его существенным недостатком является отсутствие огнестойкости: при температуре около 120°С он расплавляется в жидкость и не препятствует рас­пространению огня. Поэтому пенополистирольные технологии рекомендуется использовать в условиях защиты материалами с повышенной огнестойкостью. К таким технологиям относятся монтаж «сэндвич - панелей» с металлическими, гипсокартонными и гипсостружечными плитами с двух сторон.

Технологии использования группы пеноэтиленов представляют собой ме­тодику укладки упругих эластичных материалов с закрытой ячеистой структу­рой, стойких к химическому воздействию. Эластичность, стойкость к цикличе­скому изменению температур (от -30°С до +65°С) позволяет использовать их в качестве не только надежного изолятора от холода, воды и пара, но и от вибра­ции и звука. При этом пенополиэтилен очень прост в монтаже. Он легко сгиба­ется, режется, сваривается, клеится клеями на акриловой основе, крепится ме­бельными скобами и строительными скотчами. Основные технические характе­ристики пенополиэтиленов обобщены в табл.1.2.

Как показали исследования, практически во всех утеплительных техноло­гиях в качестве основной изоляционной прослойки используется воздух. Одна­ко, к перспективным разработкам относятся и решения с использованием еще менее теплопроводного пространства - вакуума [20, 63]. При этом достаточно тонкие вакуумные панели целесообразно применять в условиях утепления на­ружных стен зданий с высокой потребительской стоимостью помещений. При - 24

Мером данных объектов является ремонт и реконструкция старого историческо­го фонда в целях последующей коммерческой реализации.

Таблица 1.2

Среди базальтоволокнистых утеплительных технологий выделяются из­делия «PAROC» [63]. К их преимуществам относятся: пожаростойкость, эколо - гичность, простота монтажа и технологичность. Их плотность составляет 30 кг/м3, показатели теплосбережения не уступают пенопласту и пенополиуретану. При работе эти материалы не требуют специальных монтажных навыков и лег­ко вырезаются под нужный размер с помощью ножа. Следует отметить, что ба­зальтовые утеплители существенно повышают пожарную безопасность здания. Так, эти материалы выдерживают температуру до 1100°С и способны на протя­жении до 3-х часов противодействовать распространению открытого пламени. Максимальное влагопоглащение материалов составляет 10% собственного веса, при этом после высыхания они полностью восстанавливают свои теплоизоля­ционные свойства. Способ монтажа плит и свернутых в рулон матов прост и состоит в том, что элементы соответствующей толщины устанавливаются меж­ду элементом обрешетки, а затем зашиваются отделочными панелями.

Заслуживает внимания технологическое решение теплоизоляции с помо­щью эковаты - мелкоизмельченной газетной бумаги, обработанной антипире - нами и антисептиками. К их достоинствам относятся: устойчивость к огню и гниению, экологическая чистота, экономичность, простота в использовании в качестве органического утеплителя [34, 71].

25

Сравнительный анализ показателей различных теплоизоляционных мате­риалов приведен в табл. 1.3.

Одной из последних разработок отечественной науки в области вспененных те­плоизоляционных материалов является пеноизол в виде плит и блоков [34-36]. Он яв­ляется разновидностью пенополистирола Колпинского завода "Изотек". Важным дос­тоинством технологии с применением пеноизола является его производство непосред­ственно на строительной площадке. Данный материал характеризуется следующими качествами: высокими теплоизоляционными свойствами; низкой плотностью; низкой стоимостью; пожаробезопасностью; простотой получения; атмосферостойкостью. Ос­новные характеристики пеноизола и пеноплекса приведены в табл. 1.4.

26

Рациональные области применения теплоизоляционных материалов с уче­том основных двух потребительских качеств - стоимости и теплопроводности - приведены на рис. 1.5.

Условная дифференциация на три зоны осуществлена экспертным мето­дом [9, 10, 38]. Из анализа рис. 1.5 следует, что для нового строительства ин­дивидуального и массового жилья экономически целесообразно использовать технологии применения утеплителей со стоимостью не более 400 руб/м3 . Дан­ной стоимости соответствует теплопроводность в интервале от 0,2-0,3 Вт/м °К и более.

Как показали оценки [63], пеноизольная технология представляет собой изготовление беспрессовым способом без термической обработки утеплителя из пенообразующего состава. Состав включает в себя: полимерную смолу, пе­нообразователь, отвердитель и воду. По результатам испытаний на пожарную опасность пеноизол имеет следующие характеристики: группа горючести - Г2

27

(умеренно горючий), группа воспламеняемости - В2 (умеренно воспламеняе­мый), дымообразующая способность - Д1 (малая). Материал не имеет времени самостоятельного горения и не образует горящего расплава.

К прогрессивным технологиям относится также и применение изолона - отечественного экструзионного пенополиэтилена, производимого из россий­ского сырья на оборудовании японской фирмы «Сэкисуй кэмикал». Он пред­ставляет собой упруго-пластичный материал на основе полиэтилена, вспенен­ный посредством химического разложения порофора [63]. Поставляется в ру - лонах длиной 100 - 300 м различной плотности 33 - 200 кг/м. Отметим, что по теплоизолирующим характеристикам 5 мм изолона превосходят кирпичную кладку в 125 мм.

Благодаря бескапиллярной микроячеистой структуре в нем практически отсутствует водопоглощение. Важно подчеркнуть, что это дает возможность отказаться от дополнительных гидроизоляционных материалов (пленки, рубе­роида и др.), что сокращает сроки строительства и удешевляет его, в отличие от большинства традиционных пенопластов, стекловаты и минеральной ваты. Изолон долговечен в эксплуатации (50 лет) и сохраняет характеристики в тече­ние всего этого срока. Материал легко монтируется вручную одним человеком: сваривается термопистолетом, крепится мебельными скобами, строительными скотчами и др.

Одним из перспективных направлений является технология нанесения теплоизоляционного слоя в строительных конструкциях методом напыления [21, 63]. Опыт строителей и расчеты показывают, что внедрение напыляемого пенополиуретана в стройиндустрию приводит к почти двух кратному сниже­нию затрат на строительство и энергию. Применение этого материала позволяет также уменьшить нагрузку на несущие конструкции, фундамент и грунт.

Особенности технологии заключаются в следующем:

Во-первых, для напыления используются двухкомпонентные пенополиу - ретановые системы (изоционат и покиол), которые вспениваются и стабилизи - 28

Руются в течение нескольких секунд. Реакция вспенивания происходит уже на защищаемой поверхности. Благодаря этому создается сильная адгезия между пенополиуретаном и поверхностью.

Во-вторых, нанесение материала может производиться как на новые кон­струкции, так и на старые, не производя демонтажа и подготовительных работ. Нанесенное покрытие не требует обновления и ремонта в течение всего срока службы дома, при этом пенополиуретан напыляется практически на любые строительные материалы: бетон, кирпич, металл, дерево и т. д., а сложность за­щищаемой поверхности роли не играет. В результате необходимость в специ­альном крепеже или приклеивании теплоизоляции отсутствует.

В-третьих, сам процесс непрерывного напыления приводит к образова­нию бесшовного изолирующего покрытия любой толщины, что исключает трудно устранимые «мостики холода». При этом все работы выполняются не­посредственно на объекте. Характеристики системы: теплопроводность - 0, 022

П

- 0,029 Вт/м - С, плотность - 35 - 60 кг/м, водопоглощение - 2% от объема, класс огнестойкости - Г2.

Одно из направлений совершенствования технологии возведения наруж­ных ограждающих конструкций в жилом малоэтажном строительстве - приме­нение не облегченных, рассмотренных выше, а традиционных массивных кон­структивных элементов. Это керамика с пористой структурой, бетоны с раз­личными наполнителями, стеновые блоки с ячеистой структурой. Характери­стики таких материалов позволяют использовать их в качестве несущих конст­рукций, т. к. для достижения требований СНиП необходимо применять допол­нительные теплоизоляционные материалы. Расчеты показывают, что семидеся­тисантиметровая стена из газобетонных блоков обеспечивает теплозащиту, равную 8-см плите пенополистирола. Главным недостатком каменных материа­лов является большой транспортный расход из-за значительного веса, поэтому перевозка их на большие расстояния экономически нецелесообразна. Экономи­ческий анализ показал, что стоимость 1 м3 газобетонных блоков колеблется от

29

500 руб. (Санкт-Петербургские производители, КЖБИ - 211 Сертолово и др.) до 1800 руб. (производители из ближнего зарубежья) [34]. С другой стороны, главными достоинствами бетонных теплоизоляционных материалов являются высокая огнестойкость, несгораемость и долговечность.

Физико-технические свойства особых изделий - пористых блоков - про­изводства КЖБИ-211 приведены в табл. 1.5.

Результаты сравнительной технико-экономической оценки различных техно­логий для каменных стеновых конструкций для жилых домов обобщены в табл. 1.6 .

Анализ данных, содержащихся в табл. 1.6 , позволяет сделать вывод о перспективности технологий возведения малоэтажного жилья из блоков из ячеистого бетона [49, 63].

30

31

По своим экологическим свойствам пористый бетон стоит в одном ряду с деревом. Одним из преимуществ материала являются его теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства. Массивность материала обеспечивает выравни­вание температурных колебаний как в летнюю жару, так и в зимний холод. Те - плоаккумулирующие свойства пористого бетона способствуют повышению комфорта во внутренних помещениях и экономят отопительную энергию (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Звукоизоляционные параметры: для пористого бетона средней плотности 500 кг/м3 при толщине стены 175 мм - 45 ДБ, 240 мм - 49 ДБ, 375 мм - 50 ДБ.

Технические и теплотехнические характеристики различных видов кир­пича и камня отечественного производства обобщены в [63].

Анализ преимуществ керамических изделий позволяет выявить их следующие преимущества:

- уменьшение толщины стен с 1 м до 50 см;

- использование кладки из однородного материала - кирпича, без утеп­лителей;

- уменьшение массы 1 м3 кладки стен по сравнению с традиционные кирпичом в 1.7 раза;

- увеличение количества единовременно перевозимого кирпича на 40- 60% в результате увеличения емкости поддона с 250 до 350-400 штук;

- уменьшение складских территорий до 60% (за счет увеличения емкости

32

Поддона);

- расположение заводов в непосредственной близости к строительным объектам, что позволяет более чем в 2 раза экономить транспортные расходы.

Анализ научно-технической информации показывает эффективность тех­нологий применения керамических стен с использованием порообразующих добавок [8, 18, 63]. В качестве добавок выступают: отходы деревообрабаты­вающей отрасли (опилки и др.), отходы бурого угля, целлюлозное волокно и др. В последние годы расширилось использование пустотелых керамических сте­новых блоков с применением добавок полистирола в керамическую массу - вспененных шариков диаметром 3-5 мм [34, 63].

Их механическая прочность и эластичность позволяют не разрушаться во время размешивания и сохранять шарообразную форму в процессе сушки. Во время процесса обжига происходит образование во внутренней структуре мате­риала шарообразных пор диаметром шарика. Таким образом снижается плот­ность обжигаемой керамики на 1,2 - 1,4 кг/дм3 и получается плотность готовой пустотелой керамики в пределах 0,6 - 0,8 кг/дм. Изделия этого типа получили название «поротон» и выпускаются фирмами «Робен» и «Поротерм» (Герма­ния). Отличительными особенностями технологии являются: пазо-гребневое соединение соседних керамических блоков на цементном или клеевом раство - ре; коэффициент теплопроводности 0,16 - 0,20 Вт/м °С; возможность распи­ловки обыкновенной пилой; удобные размеры 498x175x238; 248x365x238 мм и др.; прочность на сжатие от 5 до 15 МПа; морозостойкость до 20 циклов.

Перспективным является использование технологии устройства облег­ченных стен с помощью системы «РУСХЕКК - ТИСС» [63]. Система имеет следующие особенности, отраженные на рис. 1.6.

Клеевой состав для приклеивания утеплителя - это сухая смесь, состоя­щая из цемента, песка, извести и добавки концентрата, которая разводится во­дой.

Утеплитель - жесткая минераловатная плита из базальтового волокна. В ос­новном применяются плиты «Рагос» (Финляндия), тип «RAL - 4», с 7 = 130 кг/м3 и X = 0,035 Вт/м °С; «Rockwooll» (Дания), тип «Fasad Slab» с у = 140 кг/м3 и X = 0,035 Вт/м °С; «IZOMAT» (Словакия), тип «Nobasil» с у = 150 кг/м3 и Х = 0,04 Вт/м °С.

Испытания системы «РУСХЕКК - ТИСС» на долговечность показа­ли, что минимальный срок ее службы составляет не менее 50 лет.

При этом системы теплоизоляции на основе синтетических материа­лов, особенно финишный штукатурный слой, под воздействием ультра­фиолетовых лучей быстро темнеют, покрываются микротрещинами из-за высокого поверхностного натяжения синтетических материалов. Кроме то­го, в пленкообразующих синтетических слоях значительно, до 20 раз, сни­жается паропроницаемость системы; проступают пятна («высолье»), а че­рез штукатурку - элементы системы - швы, дюбели и т. д. Комплексный системный анализ показал следующие преимущества технологии, отра­женные на рис. 1.7.

Пыль и грязь, осаждающиеся на выступающих поверхностях стен при по­крытии финишного слоя минеральными штукатурками, просто смываются до­ждем или водой, что невозможно при синтетическом покрытии, т. к. при этом пыль и грязь склеиваются в результате электростатического взаимодействия. Кроме того, минеральные системы на известково-цементных штукатурках поч­ти не горят, в то время как синтетические штукатурки почти полностью испа­ряются [34, 63].

Отдельным классом технологий, связанных с сокращением сроков возведения жилых домов малой этажности, являются полносборные панельные и каркасно - панельные системы повышенной заводской готовности [5, 34]. Они представляют из себя, как правило, утеплитель и обшивки, соединенные в единую монтажную панель. Так, например, известны подобные системы «ВЕНТАЛЛ» [34, 63]. В качестве утеп-

35

Лителя в системе используется минеральная полужесткая плита из базальтового во­локна толщиной от 50 до 250 мм. Ее характеристики приведены в табл. 1.8.

Панели выпускаются размерами по длине 3000 - 13000 мм, по ширине 1200 и 1160 мм и по толщине 50 - 250 мм. Применяемый утеплитель обладает хорошими водоотталкивающими свойствами. Общее содержание влаги, кон­денсируемой из воздуха во внутренний объем утеплителя, не превышает 0,09% при относительной влажности воздуха 95% [34-36]. Это обеспечивает высокие теплозащитные свойства панелей при различных погодно-климатических усло­виях. Расчеты показывают, что стеновая панель системы «ВЕНТАЛЛ» толщи­ной 80 мм обеспечивает теплоизоляцию, не уступающую стене из пористого бетона толщиной 400 мм, либо стене из кирпича толщиной 490 мм.

В качестве облицовки панелей используется оцинкованная окрашенная сталь со следующими характеристиками, отраженными в табл. 1.9.

Полиэстерлак обладает высоким сопротивлением к истиранию, устойчив к взаимодействию с кислотными средами и красящими веществами, подходит для использования во внутренних помещениях жилых домов. Следует отме­тить, что для обеспечения прочного соединения облицовки и утеплителя ис - 36

Пользуется высококачественный клей на уретановой основе производства гол­ландской фирмы Holland BV. При этом ориентация волокон утеплителя и его плотное скрепление со стальной облицовкой обеспечивают высокие прочност­ные характеристики панелей системы [34, 63].

Таким образом, проанализированы современные технологии малоэтажно­го жилищного строительства, на основе которых определено направление дис­сертационного исследования.

37