Введение к работе
Актуальность проблемы. В России жилищный вопрос продолжает оставаться острой социальной проблемой. Как известно, жилищный фонд России оценивается примерно в 2,9 млрд. м2, или около 20 м2 на душу населения, в то время как этот показатель в Норвегии составляет 74 м2, в США – 70, в Германии – 50, во Франции – 43, в Чехии – 28, в Китае – 27. При этом порядка 92 млн. м2 (3,17%) в России – это аварийное и ветхое жилье. В ближайшие 15 лет в такое состояние может перейти еще примерно 300 млн. м2 (10,3%). В последнее время вводится примерно 35 млн. м2 жилья в год, при этом около 70 % россиян нуждаются в улучшении жилищных условий. Очевидно, что в такой ситуации вопрос о резком увеличении объемов жилищного строительства является актуальнейшей задачей, о чем, в частности, свидетельствует принятие Национального проекта «Доступное жилье – гражданам России». Задача удвоения объемов ежегодно вводимого жилья на ближайшие 10 лет предопределяет потребность в развитии технологий и создании новых конструктивных систем и материалов, в т.ч. для ограждающих конструкций. Принятое концептуальное направление постепенного перехода на преимущественный рост малоэтажной застройки при поставленных задачах к 2018 г. довести объем ввода жилья до 85 млн. м2 означает одно – в ближайшие годы необходимо максимально использовать возможности сложившейся структуры жилищного строительства при возведении социального жилья. Созданная в свое время мощная база индустриального домостроения (420 ДСК мощностью около 50 млн. м2) сегодня используется примерно на 20 %. Применение эффективных ограждающих конструкций для крупнопанельного домостроения может оказать существенный вклад в развитие этого сектора строительства социального жилья.
Ограждающие конструкции, как правило, полифункциональны, в связи с этим естественны противоречия при выборе материалов для реализации таких конструкций, поскольку универсального материала нет. И, хотя существует мнение об эффективности применения однослойных конструкций, учитывая вышеизложенное, следует сделать вывод о целесообразности использования в зависимости от климатических условий и слоистых конструкций с разделением функциональных «обязанностей» каждого слоя и применением для него наиболее эффективного материала. В любом случае легкий бетон будет составляющим элементом ограждающей конструкции. Использование конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов классов В 3,5 – В 7,5 позволит использовать самонесущие и навесные НСП для восприятия усилий в случае необходимости предотвращения прогрессирующего обрушения. В России имеется полувековой опыт эксплуатации зданий из керамзитобетона (в США и Канаде – более 70 лет). В настоящее время порядка 200 заводов по производству керамзита после реконструкции способны выпускать до 15 млн. м3 заполнителей в год. Однако, несмотря на обилие разработок в этом направлении, реальные достижения в производстве керамзитового гравия плотностью 300 – 400 кг/м3 и конструкционно-теплоизоляциионных керамзитобетонов плотностью до 800 кг/м3 на протяжении многих лет выглядят достаточно скромно. Перспективным для производства легких бетонов считается вспученный перлит. Но некоторые технологические проблемы, обусловленные высокой водопотребностью этого заполнителя и, главное, состояние сырьевой и производственной базы вспученного перлита, не позволяют прогнозировать широкое его применение в качестве заполнителей для бетонов в ближайшие годы. Таким образом, не снимая вопрос об актуальности исследований в области совершенствования технологии и увеличения объемов производства традиционных пористых заполнителей и бетонов со средней плотностью 500 – 800 кг/м3 на их основе, необходимо вести поиск альтернативных материалов и технологий. В связи с этим внимание исследователей давно акцентировано на возможности расширения сырьевой базы и производства новых пористых заполнителей, в частности, гравиеподобных, имеющих сплошную оболочку с закрытой пористостью, твердая фаза которых более чем на 90% находится в аморфизированном стекловидном состоянии (в дальнейшем – стекловидных). В основу работы положена гипотеза о том, что применение новых стекловидных пористых заполнителей с повышенными прочностными и теплозащитными свойствами в конгломератах на цементных вяжущих с учетом предлагаемых структурных и технологических факторов обеспечит получение эффективных легких конструкционно- теплоизоляционных бетонов с улучшенными показателями деформативно-прочностных и теплозащитных свойств в сравнении с известными легкими бетонами на обжиговых заполнителях, при этом решение предлагаемой критериальной системы уравнений теплофизической и гигрофизической эффективности материалов обеспечит принятие рациональных проектных решений ограждающих конструкций в различных климатических условиях.
Целью работы является обоснование критериев эффективности материалов для рациональных ограждающих конструкций в различных климатических условиях и разработка на основе развития научных представлений о формировании структуры и взаимосвязи свойств основ технологии эффективных конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на имеющих практически неограниченную сырьевую базу стекловидных пористых заполнителях с нормативным обеспечением совокупности необходимых для практического применения основных показателей назначения бетонов – конструкционных, теплофизических и гигрофизических.
Для достижения поставленной цели необходимо:
-
Установить общие закономерности влияния рецептурно - технологических факторов на коэффициенты теплофизической и гигрофизической эффективности материалов и классифицировать материалы по степени эффективности в зависимости от климатических условий строительства.
-
Разработать технологические основы легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях, выявить основные закономерности «состав – технология – структура – свойства».
-
Изучить основные закономерности взаимосвязи основных свойств легких бетонов на стекловидных заполнителях и предложить нормативное обеспечение конструкционных, теплофизических и гигрофизических свойств бетонов на стекловидных заполнителях для практического применения.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- развиты научные представления о формировании структуры легких бетонов и взаимосвязи их основных свойств – конструкционных, теплофизических, гигрофизических, выявлено влияние стеклофазы в составе пористого заполнителя на совокупность свойств бетонов, разработаны основы технологии и нормативное обеспечение для практического применения легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях;
- впервые предложена классификация материалов по теплофизической и гигрофизической эффективности, разработаны основные положения выбора, сформулированы требования к величине коэффициентов эффективности бетонов для однослойной или рациональной многослойной ограждающей конструкции в зависимости от условий эксплуатации;
- изучено влияние основных факторов, определяющих теплопроводность бетонов на стекловидных заполнителях, установлены закономерности и предложена формула, определяющая коэффициент теплопроводности бетона в сухом состоянии в зависимости от коэффициентов теплопроводности и объемной концентрации матрицы и заполнителя, позволившая оценить вклад каждого элемента двухуровневой системы «матрица – заполнитель» в формировании коэффициента теплопроводности бетона.
Практическая значимость работы:
- определены основные положения технологии легких конструкционно -теплоизоляционных бетонов плотностью 600 – 800 кг/м3 классов В 3,5 – В 7,5 на стекловидных пористых заполнителях, включающие в себя подбор состава, технологию приготовления бетонной смеси, обоснование режимов и способов ТВО. Определен минимальный расход цемента по условию защиты арматуры от коррозии;
- установлены основные закономерности изменения основных физико- механических свойств легких бетонов на стекловидных заполнителях от изменения рецептурно-технологических факторов;
- предложено нормирование для инженерной практики призменной прочности, начального модуля упругости, «предельной» сжимаемости, предела прочности при растяжении, меры ползучести, деформаций усадки, сцепления арматуры с бетоном, сорбционной влажности, коэффициента паропроницаемости, коэффициента теплопроводности с учетом режима эксплуатации.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований включены в нормативные документы: ТУ 48 – 0401 – 107/0 – 92 «Панели наружные азеритобетонные для жилых зданий», ТУ 110 – 029 – 90 «Гравий и песок витрозитовые», ТУ 31 – 0871 – 65/0 – 91 «Азеритобетон для наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений», ТУ 01116372021 – 90 «Пеностеклогранулятобетон конструкционно-теплоизоляционный для наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений», «Технологический регламент по уменьшению материалоемкости в высотном строительстве, в том числе использованием бетонов на пористых заполнителях», гос. контракт № 230 23.12.2009.
Производственное внедрение осуществлено при разработке технологических регламентов на:
- производство опытной партии стеновых панелей типа НС-2-6 и 2НС-2-4 жилых домов серии III - 121 из легкого бетона на вспученном витрозитовом гравии (ВВГ) в условиях г. Воскресенска на КПД-2 Воскресенского домостроительного комбината;
- производство стеновых панелей серии 111 - 112Н из легкого бетона на основе вспученного туфоаргиллитового гравия (ВТГ) на ЗКПД – 2 в условиях г. Норильска. За период с 1990 г. экономический эффект от применения стеновых панелей из бетонов на стекловидных пористых заполнителях в Норильском промышленном районе составил не менее 50 млн. руб. (в ценах 2008 г.).
- производство в условиях ЖБК-7 СПО Армстройиндустрии опытной партии стеновых панелей из бетона на пеностеклогрануляте (ПСГ), разработанных в ПЭКТИ (Ереван).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
- международных научных конференциях: 1991 г. (Москва); 1992 г. (Кавказ – 92), «Дни современного бетона», 2010 (Запорожье);
- Международном форуме AF ES – 2007 «Перспективные задачи инженерной науки», 2007 г. (Халкидики, Греция);
- Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве», 2008г. (Воронеж);
- Всероссийской научно-практической конференции «Применение современных технологий и оборудования при строительстве и восстановлении объектов», 2008 г. (Балашиха);
- республиканских научно-технических конференциях: 1986 г. (Москва); 1987 г. (Ашхабад); 1989 г. (Фрунзе).
На защиту выносится:
- совокупность теоретических положений, определяющих возможность выбора эффективных материалов для рациональных однослойных и трехслойных ограждающих конструкций для принятия принципиального конструктивного решения, на основе сопоставления коэффициентов теплофизической и гигрофизической эффективности и предложенной классификации эффективности легких бетонов и теплоизоляционных материалов;
- классификация по теплофизической и гигрофизической эффективности легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов и теплоизоляционных материалов с учетом климатических условий строительства;
- развитие научных представлений о количественной оценке теплофизической эффективности материалов, формировании структуры и взаимосвязи свойств легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях;
- целесообразность оценки коэффициента гигрофизической эффективности материала и установленные закономерности его изменения от основных рецептурно-технологических факторов;
- методологические аспекты изучения взаимосвязи «состав – технология – структура – свойства» легких бетонов на пористых заполнителях;
- общие закономерности влияния рецептурно-технологических факторов на основные физико – механические, тепло и гигрофизические свойства легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях;
- результаты комплексных исследований основных свойств и предложения по нормированию основных показателей назначения конструкционно-теплоизоляционных бетонов средней плотностью 600 – 800 кг/м3 классов В 3,5 – В 7,5 на стекловидных пористых заполнителях – ПСГ, ВТГ, ВВГ.
Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование работы, предложения новых критериев оценки качества материалов, разработка методик и программ экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, получение новых и уточнение известных зависимостей, участие в разработке нормативных документов, организация и участие в производственном внедрении. В работах, выполненных в соавторстве, автором сделан основной вклад, выражающийся в формулировании целей и задач исследований, теоретической и методологической разработке основных положений, обобщении и анализе результатов.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 2 монографиях (13,5 п.л.), 15 статьях в журналах (4,5 п.л.), в т.ч.11 (3,8 п.л.) – в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК, 8 (1,8 п.л.) – в материалах научных конференций, 6 (18,8 п.л.) научных трудах в различных изданиях, 1 авторском свидетельстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы из 353 наименований и приложений. Изложена на 381 странице, включая 135 рисунков, 74 таблицы.
