Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Возведение зданий и сооружений с применением монолитного бетона и железобетона: Технологии устойчивого развития

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Архитектурные, технологические и экологические аспекты применения монолитного бетона и железобетона

Архитектурно-композиционные возможности монолитного бетона и железобетона

История применения монолитного бетона насчитывает тысячелетия. Наряду с конструкциями из природного камня и кирпича-сырца, монолитные бетонные конструкции применялись при строительстве гробниц и других сооружений в Древнем Египте; при ирригационных работах, строительстве фортификационных сооружений, жилищ и храмов в Древней Персии, Финикии, Индии, Китае, Древней Греции. Известно, что уже в Древнем Риме строители научились получать медленно твердеющее гидравлическое вяжущее, смешивая жирную известь с вулканическим пеплом. После появления цемента (а в середине XIX в. — и открытия эффекта армирования) монолитный бетон и железобетон получили повсеместное распространение.

Сегодня бетон и железобетон являются наиболее используемыми в мире строительными материалами, объем применения которых составляет более 2 млрд м3 в год.

«Я глубоко убежден в неограниченных возможностях бетона»,— писал один из выдающихся архитекторов XX в. бразилец Оскар Нимейер.

Скульптурные возможности бетона мастер продемонстрировал при строительстве новой столицы Бразилии. Интересно двухэтажное здание президентского дворца Алворадо (1957 г.), которое окружают галереи с грациозными колоннами, выполненными в бетоне и напоминающими лебединые шеи (рис. 1).

Поиски образа кафедрального собора в бетоне, примыкающего к дворцу, были вдохновлены капеллой в Роншане (1950-1954 г.) великого архитектора Ле Корбюзье.

Изогнутые абрисы карнизов и стен, выполненных в бетоне, создают скульптурную форму церкви. Необработанная поверхность бетона со следами от деревянной опалубки придает постройке брутальную мощь. Пластические и конструктивные возможности монолитного бетона позволили архитектору выполнить ряды окон-бойниц разного размера, иррегулярно расположив их на фасаде (рис. 2).

Однако свобода и фантастичность образов, которые могут быть созданы в бетоне, не являются основными достоинствами материала. В здании Каза дель Фасций (1932-1936 г.) архитектор Джузеппе Тер-раньи создает простой каркас, как символ единства нации. Архитектор вводит в колонны трубы стока ливневых вод и каркас оживает. Мастер дает инженерным коммуникациям метафорическое имя — «нерва-тура» (рис. 5).

Наиболее заметные здания и сооружения, построенные за последние десятилетия, выполнены в железобетоне. Это башни, мосты (рис. 3), тоннели, высотные здания — среди них мировой рекордсмен, сдвоенный небоскреб «Петронас Тауэре» в Куала-Лумпуре (рис. 6),— культовые сооружения — среди которых храм Христа Спасителя в Москве и т. д.

Последние десятилетия XX в. ознаменовались значительными достижениями в области технологии бетона. В эти годы появились и получили широкое распростране-

Президентский дворец Алворадо и кафедральный собор в Бразилии (1950-1970); арх. О. Нимейер

Рис. 1. Президентский дворец Алворадо и кафедральный собор в Бразилии (1950-1970); арх. О. Нимейер

Капелла в Роншане и церковь в Зеленом Фирмини; арх. Ле Корбюзье

Рис. 2. Капелла в Роншане и церковь в Зеленом Фирмини; арх. Ле Корбюзье

Акаси-Кайкё — висячий мост, пересекающий пролив Акаси и соединяющий г. Кобе на о. Хонсю с г. Авадзи на о. Авадзи, Япония

Рис. 4. Акаси-Кайкёвисячий мост, пересекающий пролив Акаси и соединяющий г. Кобе на о. Хонсю с г. Авадзи на о. Авадзи, Япония

Жилой дом; арх. Джузеппе Терранъи

Рис. 5. Жилой дом; арх. Джузеппе Терранъи

ние новые эффективные вяжущие, модификаторы для вяжущих и бетонов, активные минеральные добавки и наполнители, армирующие волокна, новые технологические приемы и методы получения строительных композитов.

Современная технология строительства с применением монолитного бетона основана на новейших достижениях в области бето-новедения, физики, химии и математики. Инновационные решения — это, как правило, ответ на вполне конкретную проблему архитектурно-строительной практики. Так появились на свет декоративные, легкие («теплые»), суперпрочные, самоуплотняющиеся, быстротвердеющие, гидрофобные и дренирующие бетоны, материалы из водо-стойкого гидрофобного гипса.

Сегодня бетон все шире используется в жилищном, промышленном, транспортном, гидротехническом, энергетическом и других видах строительства. Созданию различных видов строительных конструкций нового поколения: гибридных, слоистых, тонкостенных, профилированных — способствуют активные исследования и разработки в области технологии бетона.

Наиболее полно современные возможности технологии бетона отразились производстве высококачественных, высокотехнологичных, высокофункциональных бето-нов (High Performance Concrete, НРС)[1]. Речь идет о многокомпонентных бетонах с высокими эксплуатационными свойствами: показателями прочности, долговечности, морозостойкости, сопротивления истираемости; низкой адсорбционной способностью и низким коэффициентом диффузии, надежными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре; высокой химической стойкостью, бактерицидностью и регулируемыми показателями деформатив-ности (в том числе с компенсацией усадки в возрасте 14-28 суток естественного твердения). Прогнозируемый срок службы такого бетона в реальных условиях — от 200 до 500 лет, что подтверждается исследованиями японских ученых.

Появление высококачественных бетонов открыло новую эру в строительстве. Их уникальные свойства позволили реализовать такие строительные проекты, о которых еще сравнительно недавно трудно было даже мечтать: тоннель под Ла-Маншем; 125-этажный небоскреб в Чикаго высотой 610 м; мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролетом 1990 м (мировой рекорд 1990 г., рис. 4).

Мост через пролив Нордамберленд в Восточной Канаде длиной 12,9 км сооружен на опорах, которые на глубину более 35 м погружены в воду. При крайне суровых условиях эксплуатации (ежегодно бетон подвержен 100 циклам замораживания и оттаивания) конструкции этого моста рассчитаны на срок службы 100 лет. Платформа для добычи нефти на месторождении Тролл (Норвегия) в Северном море, построенная в 1995 г., имеет высоту 472 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м (рис. 7). Расчетный срок эксплуатации платформы составляет 70 лет. Аналогичные платформы, эксплуатирующиеся в зоне сплошного многолетнего ледового покрова, подвижки которого развивают огромные срезающие

Платформа для добычи нефти Тролл в Северном море, Норвегия

Рис. 7. Платформа для добычи нефти Тролл в Северном море, Норвегия

Башня «Восток» комплекса «Федерация» в Московском международном деловом центре «Москва-Сити» в процессе строительства

Рис. 8. Башня «Восток» комплекса «Федерация» в Московском международном деловом центре «Москва-Сити» в процессе строительства

Город наук и искусств в Валенсии, Испания; арх. Сантьяго Калатрава

Рис. 9. Город наук и искусств в Валенсии, Испания; арх. Сантьяго Калатрава

усилия, возведены на океаническом шельфе Северного Ледовитого океана в 200-400 км от берегов Аляски.

В России высококачественные бетоны нашли применение, например, в Москве при строительстве новых торгово-рекреационных комплексов на Манежной площади и на площади Курского вокзала; коллекторов для инженерных сетей; транспортных тоннелей в Лефортове, на проспекте Мира, Ленинском и Кутузовском проспектах; путепроводов и развязок московской кольцевой автомобильной дороги, МКАД; высотных зданий, таких как «Смоленский пассаж», «Реформы», комплекс «Москва-Сити» (рис. 8); а также целого ряда специальных сооружений.

Художественный музей в Милуоки, США; арх. Сантьяго Калатрава

Рис. 10. Художественный музей в Милуоки, США; арх. Сантьяго Калатрава

Одним из факторов повышения эффективности монолитного строительства, особенно высотного, является уменьшение массы железобетонных конструкций без потери их несущей способности и других эксплуатационных свойств, что достигается применением легких бетонов с повышенными показателями конструктивного качества.

Впервые высокопрочные легкие бетоны были применены при возведении зданий и сооружений во второй половине XX в. При строительстве моста Дюккерхофф в Висбадене высокопрочный легкий бетон был использован в предварительно напряженных конструкциях. Монолитный бетон, примененный при возведении южных фасадов Кайцентра в Дюссельдорфе выполняет несколько функций одновременно: конструктивные, декоративные и теплоизоляционные. При строительстве нефтяной платформы «Хейдрун» в Норвежском море удалось установить своеобразный рекорд прочности легкого бетона, уложенного в реальные конструкции — 75 МПа при плотности 1,75 кг/дм3.

Амбициозные строительные проекты XXI в., например такие как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других, где одним из непременных

Центр музыкального искусства «Город музыки» в парке Ла Виллет, Париж, Франция; арх. Кристиан де Портзампарк. Общий вид (вверху) и строительство (внизу)

Рис. 11. Центр музыкального искусства «Город музыки» в парке Ла Виллет, Париж, Франция; арх. Кристиан де Портзампарк. Общий вид (вверху) и строительство (внизу)

условии строительства стало сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также ускоренный набор бетоном прочности в ранние сроки, обусловили необходимость использования в большом объеме особо высокоподвижных, не расслаивающихся смесей. Решению этих задач способствовало изобретение и введение в последнем десятилетии прошлого века в строительную практику самоуплотняющихся бетонных смесей[2], формирующих на любом участке бетонируемой конструкции плотный, бездефектный бетон только за счет собственного веса, без применения уплотнения за счет вибрации. На сегодняшний день это одно из последних значимых достижений в области технологий бетона.

Самоуплотняющийся бетон получил широкое распространение при возведении самых разных сооружений — сводов и арок в тоннелях, метрополитенов, автострад, мостов, атомных электростанций. Применение самоуплотняющихся бетонов при строительстве особенно выигрышно в зонах ограниченного доступа, где вибрационное уплотнение затруднено, а также в комбинированных сталебетонных конструкциях сложной геометрии. Самоуплотняющиеся бетоны используются также при устройстве монолитных высокопрочных бесшовных полов, для торкрет-бетонирования и усиления конструкций при реставрационновосстановительных работах.

На рубеже веков новым словом в архитектуре зазвучали особо прочные фибробето-ны, позволившие создавать тонкие, легкие конструкции с большими пролетами, разнообразных геометрических форм, наполненные художественной экспрессией, более долговечные и экономичные по общему расходу материалов. Таковы проекты архитектора Сантьяго Калатравы: вокзал в Лионе (1994 г.), город наук и искусств в Валенсии (1996 г.) (рис. 9), художественный музей в Милуоки (2001 г.) (рис. 10), железнодорожный вокзал в Льеже (2009 г.).

В специальных бетонах, разрабатываемых и приготавливаемых с заранее заданными характеристиками и свойствами, проявляется все многообразие строительнотехнических возможностей этого древнего и, в то же время, ультрасовременного материала: особо высокопрочные, особо высокоплотные, особо быстротвердеющие, кис-лото- и жаростойкие, радиоэкранирующие и радиоизолирующие и т. д.

Значительный интерес представляют разработки новых химических добавок — репеллентов, придающих бетонным поверхностям пыле- и грязеотталкивающие свойства. Применение нанокомпозитов обеспечивает реализацию индивидуальных специфических эффектов: от защитных функций за счет легкого удаления пыли, грязи и рисунков граффити до предотвращения появления высолов на бетонных поверхностях. Самоочищающийся бетон впервые был применен при строительстве церкви Dives in Misericordia в Риме (завершено в 2003 г.). Для возведения сложного архитектурного объема здания использовались сборные железобетонные конструкции, изготовленные на основе бетона, содержащего цементные композиты с наночастицами диоксида титана, которые позволяют бетону сохранять свои эстетические характеристики, особенно цвет, в течение длительного времени даже под воздействием агрессивного городского окружения. При строительстве центра музыкального искусства в Париже (рис. 11) самоочищающийся бетон был использован в монолитных железобетонных конструкциях и облицовке стен.

Одно из интереснейших изобретений XX в.— «бетон, передающий свет» (Light Transparent Concrete), стеклобетон. Впервые этот материал был предложен архитектором А. К. Буровым в 1941 г. Стеклобетон объединяет свойства бетона и оптического волокна, благодаря которому способен пропускать свет. Используемые в качестве арматуры стеклянные волокна придают бетону

OfTilt га

да .и* я

ten I1

/ЯИТ"'!

яттъгя

5йДЛ1щГГ"5

ПМЙГн

Рис. 14. Жилой комплекс «Волны на Вайле»; арх. Hanning Larsen, Дания

высокую прочность, и в тоже время позволяют видеть сквозь него силуэты людей и предметов. Из стеклобетона можно создавать любые современные формы и копировать образцы прошлых времен. Применение этого материала позволяет создать эффект легкости и прозрачности в массивной бетонной конструкции. Прозрачность материала обеспечивается за счет тысячи оптических стекловолокон, которые формируют проводящую матрицу, располагаясь параллельно друг другу между двумя основными поверхностями конструкции, и несут свет от одной лицевой поверхности к другой в виде небольших точек. Пока область применения «прозрачного бетона» ограничивается городским дизайном и малыми формами. Однако специалисты полагают, что этот материал имеет потенциальные возможности и для применения в конструкциях, работающих под высокой нагрузкой, таких, как конструкции стен, поскольку оптические волокна не оказывают отрицательного влияния на высокую прочность бетона на сжатие, которая составляет более 50 МПа, обеспечивают светопередачу без потерь в свете на расстояние до 20 м, что позволяет сохранять заданные свойства материала в конструкции стен практически любой толщины, а кроме того, могут выполнять и теплоизоляционные функции.

Широко в строительстве применяют декоративные бетоны, которые в зависимости от состава и назначения могут быть: цветными, имитирующими природные камни или обладающими особо выразительной текстурой и фактурой. Поверхность выполненной из такого материала конструкции может быть гладкой, глянцевой или структурированной. Декоративные бетоны применяются при возведении ограждающих конструкций, для изготовления облицовочных плит, тротуарной плитки, монолитных полов, дорожных покрытий (например, при строительстве Останкинской телебашни в 1967 г. было уложено дорожное покрытие из цветных бетонов), декоративных элементов зданий, скульптур (например горельеф «Равнопрестольной святой Ольги» в храме

Проект Express Rail Link West Kowloon Terminus, Гон Конг; apx. Aedas, 2012

Рис. 15. Проект Express Rail Link West Kowloon Terminus, Гон Конг; apx. Aedas, 2012

Христа Спасителя в Москве). Декоративные бетоны позволяют архитекторам создавать сооружения, в которых открытые бетонные поверхности уже не нуждаются в дополнительной эстетической обработке. При этом конструкция, лицевой слой которой выполняют из декоративных бетонов, а несущие слои — из обычного бетона, сохраняет высокую прочность и долговечность.

Для получения цветных бетонов применяют белые цементы с введением пигментов при приготовлении бетонной смеси или цветные цементы, когда пигменты вводятся при помоле клинкера. Пигменты для цветных бетонов должны быть щелоче-, атмосфере- и светоустойчивы. Если надо получить очень светлую поверхность, то белые цементы осветляют двуоксидом титана. При приготовлении бетонной смеси применяют светлые кварцевые пески, светлые известняки и доломиты. В качестве заполнителя также используют отходы камнедробления: пески и щебень из мрамора и высевок гранита и т. д.

В мировой практике прочно укрепился термин «архитектурный бетон», подразумевающий не только применение декоративных бетонов, но и возможность этого материала воплощать любые замыслы архитектора (рис. 12-14).

Не уступающий по механической прочности, коррозионной и морозоустойчивости традиционному бетону, дренирующий бетон, изобретение XXI в., призван ответить на запросы «зеленой» архитектуры. Из этого материала могут быть выполнены покрытия пешеходных и автомобильных дорог, площадки и автостоянки, покрытия эксплуатируемых (инверсионных) кровель.

Архитекторы сегодняшнего дня проектируют город будущего как многоуровневое пространство, создают искусственные ландшафты для решения комплексных задач функционального зонирования и, одновременно, возрождения деградированных, проблемных городских территорий, промышленных зон, участков, занятых железнодорожными путями и т. п. Вырастая над

Городской сад Абердина, конкурсный проект; арх. Diller Scofidio + Renfro, 2012

Рис. 16. Городской сад Абердина, конкурсный проект; арх. Diller Scofidio + Renfro, 2012

реальной поверхностью земли, искусственные платформы, террасы, эспланады, несомые конструкцией из монолитного железобетона и стали, формируют новый слой земной поверхности, пригодный не только для высадки газонов, но и для создания полноценной экоустойчивой системы городских зеленых насаждений (рис. 15-17).

Конструкции из бетона и железобетона обладают высокой прочностью, долговечностью, стойкостью к воздействию климатических факторов и агрессивных сред. По способу выполнения они делятся на сборные, монолитные и сборно-монолитные.

Конструкции из сборного бетона и железобетона изготавливаются на специализи-

Проектная концепция системы искусственных платформ «Новая земля»; арх. Тимур Баш-каеву Россия

Рис. 17. Проектная концепция системы искусственных платформ «Новая земля»; арх. Тимур Баш-каеву Россия

рованных предприятиях. Их применение позволяет сократить затраты труда и времени на возведение зданий и сооружений и уменьшить влияние климатических условий. Однако излишне стандартизированные технологии заводов железобетонных конструкций стали тормозом для воплощения современных архитектурных решений.

Совершенствование технологии производства бетонных работ и развитие исследований по улучшению свойств бетона привело в последние годы к увеличению объемов применения монолитного бетона. Монолитный бетон, являясь пластичным материалом, обладающим высокими физико-техническими свойствами, позволяет архитекторам воплощать свои самые смелые замыслы, реализовывать формы самых сложных конфигураций.

Применение монолитного бетона наиболее эффективно при возведении:

  • • массивных зданий, сооружений и конструкций (плотины, стены глубокого заложения в грунт, массивные фундаменты, буронабивные сваи, опускные колодцы, опоры мостов, тоннели, коллекторы, трубы промышленных предприятий);
  • • радио- и телевизионных башен;
  • • многоэтажных зданий универсального назначения, а также крупных общественных зданий, имеющих значение градостроительных акцентов;
  • • ядер жесткости и монолитных диафрагм жесткости в сборном строительстве, большепролетных тонкостенных покрытий;
  • • зданий в районах с повышенной сейсмичностью.

Монолитный бетон и железобетон в «чистом виде» встречаются редко: в гидротехнических сооружениях, фундаментах, оболочках, распластанных сводах и некоторых других конструкциях. В большинстве же случаев имеют место сборно-монолитные конструкции, где монолит сочетается со сборными элементами. Так, при «монолитном домостроении» здания с несущими монолитными стенами могут иметь сборные навесные панели наружных ограждающих конструкций или кирпичные самонесущие стены; монолитные неразрезные плиты перекрытий в зданиях, возводимых методом подъема, могут сочетаться со сборными колоннами и т. д.

Среди различных видов бетона, активное развитие которых прогнозируют специалисты в ближайшем будущем, в монолитном домостроении наиболее востребованным может оказаться мелкозернистый бетон. Этот вид бетона при правильно подобранном составе характеризуется высококачественной структурой и отличается высокой технологичностью, легко и эффективно модифицируется с помощью органоминеральных добавок, обеспечивая получение материалов с различным комплексом свойств. Главным достоинством мелкозернистого бетона является использование дешевых местных песков, что позволяет снизить стоимость бетона на 15-25% по сравнению с крупнозернистыми бетонами на щебне. Использование мелкозернистого бетона при возведении зданий и сооружений дает возможность получать тонкостенные и слоистые конструкции, в которых сочетаются различные материалы.

Следует ожидать также дальнейшего роста использования теплоизоляционных поробетонов, в том числе с эффективными пористыми заполнителями (полистиролом, вспученными перлитом и вермикулитом, легкими керамзитами, минеральными микросферами) и армирующими волокнами. Варьируя вяжущие, порообразова-тели, активаторы твердения и различные защитные составы, можно получить изделия и ограждающие конструкции, эксплуатационные характеристики которых будут заметно превосходить характеристики лучших синтетических материалов, что позволит одновременно улучшить качественные характеристики среды и увеличить срок службы зданий и сооружений.

Архитектура и строительство нуждаются в постоянном совершенствовании бетона как материала. Вновь разрабатываемые бетоны с повышенным содержанием гранулированного шлака, зол уноса, золы рисовой шелухи, метакаолина, цеолитов, других активных минеральных добавок и техногенных отходов расширяют и без того безгра ничное поле применения этого удивитель ного материала, без которого трудно пред ставить себе будущее строительства.

  • [1] Высококачественные бетоны (ВКБ) — термин High Performance Concrete (НРС) принят в 1993 г. совместной рабочей группой ЕКБ/ФИП.
  • [2] Использовать для семейства новых бетонов термин «самоуплотняющиеся» предложил в 1986 г. проф. X. Окамура (Япония).
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>