Ячеистые бетоны

Рассматриваются особенности применения ячеистых бетонов в качестве стеновых
материалов.
Долгое время распространённой в жилищном строительстве была стена толщиной 51 или
64 см, выполненная из сплошного глиняного кирпича (в 2 или 2,5 кирпича). Её
термическое сопротивление — около 1 м2•°C/Вт — особых претензий не вызывало.
Однако в 1995 г. вводится изменение № 3 СНиП «Строительная теплотехника», согласно
которому требуемые теплозащитные характеристики ограждающих элементов, в том
числе и стен, увеличены примерно в 3 раза. Вследствие чего расчётная толщина
кирпичной стены резко увеличилась, стена стала неприемлемой и для архитектурнопланировочных решений, и по транспортным расходам, и по трудоёмкости возведения, и
по имеющейся производительности кирпичных заводов.
Позднее выяснилось, что стена здания является не единственной, а зачастую и не главной,
причиной теплопотерь и с директивой об утроенной толщине стены слегка погорячились.
Но на проблему обратили внимание.
Надо сказать, что указанная толщина традиционной кирпичной стены характерна и для
других стран с тем же климатом. Чем же она обусловлена? В первую очередь —
экономическими соображениями: независимо от вида используемого строительного
материала, чем стена толще, тем она дороже, но тем меньше расход энергоресурсов на
отопление здания. Соотношением этих двух статей затрат и обусловлена толщина стены.
Причиной принятия непопулярного решения об увеличении требуемой теплозащиты
могло быть повышение цен на энергоресурсы.
Имеющиеся на Земле энергоресурсы — уголь, нефть, газ — можно считать
невосполняемыми, и это допускает возможность дальнейшего повышения цен на энергию.
А следовательно, независимо от того, как мы расцениваем изменение № 3, следует
подумать об альтернативе кирпичной стене, которая пока ещё является весьма
распространённой.
Теплозащитная характеристика любой однородной (однослойной) стены определяется, в
первую очередь, её термическим сопротивлением RТ
RТ = / , (1)
где — толщина стены,
— коэффициент теплопроводности.
Из формулы 1 следует, что повысить термическое сопротивление можно не только за счёт
увеличения толщины стены , но и путём уменьшения коэффициента теплопроводности
, который является степенной функцией плотности материала
=T• , (2)
где Т — коэффициент пропорциональности,
v > 1.
Из формулы 2 видно, что уменьшить коэффициент теплопроводности
снижения плотности .
можно за счёт
Плотность — определяющий фактор теплопроводности любого материала. Для кладки из
сплошного глиняного кирпича на цементно-песчаном кладочном растворе плотность
составляет 1800 кг/м3 (для сравнения: плотность обычного тяжёлого бетона — 2400 кг/м3,
что делает его совершенно непригодным для однослойных стен отапливаемых зданий).
Но существуют лёгкие и ячеистые бетоны. Например, подавляющая масса современных
конструкционно-теплоизоляционных ячеистобетонных изделий (стеновые блоки и панели,
плиты покрытий и перекрытий) имеют плотность 600–700 кг/м3. Такую же плотность
могут иметь и некоторые виды лёгких бетонов на пористых заполнителях. Это говорит о
большей перспективности таких материалов по сравнению с кирпичной кладкой. Следует
добавить, что кроме ухудшения теплозащитных характеристик высокая плотность
материала приводит к повышенному расходу сырья, т. е. увеличивает затраты на его
добычу, транспортировку и переработку, повышает не только материальные, но и
трудовые и энергетические затраты, причём как при изготовлении, так и при монтаже
ограждающих элементов.
подавляющая масса современных конструкционно-теплоизоляционных ячеистобетонных
изделий имеют плотность 600–700 кг/м3
Опытным путём было установлено, что для самонесущих стен вполне достаточна
прочность материала 25–35 кг/см2. С этого момента бетон (лёгкий и ячеистый) потеснил
кирпич, и вся страна покрылась лесом «хрущёвок», которые хоть ныне и ругают (в
основном за архитектурно-планировочные решения), но в свое время это было большим
благом для народа.
Если термическое сопротивление традиционной, испытанной веками, кирпичной стены
(толщина 64 см; = 0,7 Вт/м•°C) принять за эталон, то стена с такой же степенью
теплозащиты, выполненная из керамзитобетона (плотность — 1000 кг/м3; = 0,33
Вт/м•°C) будет иметь толщину 30 см, а из ячеистого бетона (плотность — 600 и 400
кг/м3; = 0,22 и 0,14 Вт/м•°C) 20 и 13 см соответственно. Но если бы попытались
применить для стены тяжёлый бетон, то её расчётная толщина была бы 160 см. Попытка
утроить термическое сопротивление кирпичной стены приводит к увеличению её
толщины до 180 см (а керамзитобетонной — до 90 см). В то же время, толщина ячеистобетонной стены плотностью 600 и 400 кг/м3 вполне приемлема — 60 и 40 см
соответственно.
Стеновые панели из ячеистого бетона плотностью 600 кг/м3 широко применяются и
успешно эксплуатируются уже несколько десятилетий.
Может возникнуть вопрос об использования ячеистого бетона плотностью 400 кг/м3. За
рубежом такие стены давно используют, а у нас — опасаются. Действительно — такую
стену можно расковырять отвёрткой, она сильнее намокает от дождя, в зоне сильных
ветров может возникнуть эффект продуваемости.
Однако против всего этого давно найдено противоядие, это — вариатропия. Создано
промышленное оборудование и отработана заводская технология создания на поверхности
ячеистобетонных изделий защитного слоя переменной плотности, заданной толщины и с
другими регламентированными свойствами, включая гидрофобность, атмосферостойкость
и др. При средней плотности бетона в изделии 400 кг/м3 плотность фибрового слоя может
иметь любую заданную величину в пределах 600–1300 кг/м3 и прочность до 100 кг/см2.
При этом решаются проблемы и поверхностной твердости, и водопоглощения, и
продуваемости. В крайнем случае, для стен первого этажа может быть применена
обкладка кирпичом.
при средней плотности бетона в изделии 400 кг/м3 плотность фибрового слоя может иметь
любую заданную величину в пределах 600–1300 кг/м3 и прочность до 100 кг/см2
Современные нормативные документы относят отечественные ячеистые бетоны
плотностью 400 кг/м3 к теплоизоляционным, но не к конструкционно-теплоизоляционным
материалам, т. е. не допускают их применения для изделий, воспринимающих расчётную
нагрузку. Это представляется не вполне правильным. Особенно на фоне зарубежной
практики, которая даже не предусматривает возможностей вариатропии.
Директивное повышение требований к термическому сопротивлению может быть
оспорено, отменено или скорректировано другой директивой. Но, независимо от этого,
перспективный стеновой материал — вовсе не кирпич, а бетон, особенно ячеистый
(газобетон и пенобетон). Кроме повышенных теплозащитных свойств и связанной с этим
минимальной материалоёмкости, эти бетоны обладают и другими важными
преимуществами: они, как и древесина, «дышат», что имеет особое значение, когда речь
заходит о лёгочных, суставных и сердечно-сосудистых заболеваниях; но, в отличие от
древесины, бетоны не гниют и не горят. В Швеции, например, из этого материала
возводится до 80 % всех зданий.
Промышленное производство ячеистых бетонов в значимых масштабах началось в нашей
стране в начале 60-х годов прошлого столетия. Для конструкционно-теплоизоляционных
изделий (в том числе для стеновых панелей размером «на комнату») использовали
ячеистый бетон плотностью 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300 и 1400 кг/м3. Но уже в 70-х
годах диапазон плотностей уменьшился (официально утверждены марки по плотности, от
D600 до D1200, с той же градацией — через 100 кг/м3). Сегодня, почти повсеместно,
диапазон уменьшился до 600–700, иногда конструкционно-теплоизоляционный ячеистый
бетон делают плотностью 500 кг/м3. Ячеистые бетоны подразделяются на ряд
фиксированных классов по прочности на сжатие (МПа): 2,5; 3,5; 5 и др.
Эти материалы имеют своеобразный, пока ещё не используемый, резерв, позволяющий
существенно повысить эффективность их использования в стенах отапливаемых зданий.
Технология ячеистых бетонов располагает приёмами, позволяющими на некоторую
величину повысить их прочность. Это — и различные добавки, и активация ингредиентов,
и корректировка режимных параметров и др. Чаще всего это полумеры, которые не дают
возможности перевести бетон в более высокий класс по прочности на сжатие или снизить
его плотность на целую марку, а потому указанными возможностями частенько
пренебрегают или, в лучшем случае, используют их для экономии цемента.
Между тем, любой ячеистый бетон обладает тем замечательным свойством, что сколь
угодно малый резерв его прочности (т. е. превышение фактической прочности над
регламентированной) позволяет на известную величину снизить его плотность, поскольку
прочность является функцией плотности. Снижение же плотности, даже на 5–10 %,
независимо ни от чего, даёт массу преимуществ:
1. Сокращается объём добываемых (приобретаемых) сырьевых материалов, включая
транспортирование, контроль качества и первичную переработку.
2. Сокращаются трудовые и энергетические затраты на формование изделий и
технологический транспорт.
3. Сокращаются затраты тепла на гидротермальную обработку изделий, поскольку расход
энергии на автоклавирование и пропарку связан не с физико-химическими процессами
твердения бетона, а только с его теплоёмкостью, зависящей от плотности изделий.
4. Сокращаются трудовые и энергетические затраты на транспортирование и монтаж
готовых изделий.
5. Появляется возможность сокращения затрат тепла на отопление зданий.
6. Появляется возможность уменьшения толщины ограждающих элементов при
сохранении их теплозащитных характеристик, а следовательно — уменьшения площади
застройки и площади приобъектных складов, повышения загрузки транспортных средств.
Чтобы реализовать перечисленные возможности, не нужно строить новые заводы и
приобретать дополнительное оборудование — достаточно учитывать возможные
экономические потери.
Использованию такого резерва серьёзно помогло бы директивное изменение принятой
градации плотностей ячеистого бетона. Целесообразно для конструкционнотеплоизоляционного ячеистого бетона ввести следующие марки по плотности: D400,
D450, D500, D550, D600, D650 и D700. Не исключается целесообразность введения и
более мелких градаций.