Защита зданий и архитектура от традиции к инновации

Олег Харит

Книга подробно исследует условия, предпосылки и ключевые инновации в архитектуре и строительстве, защиты и декорирования зданий, современным материалам, методам и технологиям. Рассматриваются экспериментальные подходы, автоматизация, роботизация, использование искусственного интеллекта, экологичные и энергосберегающие решения, влияние цифровизации, адаптации отрасли к вызовам урбанизации, изменения климата и устойчивого развития, включая интеграцию интернета и создание «умных» зданий.

ГЛАВА 2. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ АРХИТЕКТУРНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОЦЕНКА ИХ ЗАЩИТНЫХ ФУНКЦИЙ

2.1. Композитные материалы для архитектурно-декоративных элементов

Архитектурно-декоративные отделочные материалы начали широко использоваться для защиты зданий и сооружений с середины прошлого века. Изначально такие элементы применялись преимущественно при реставрации памятников архитектуры, а также зданий и сооружений, обладающих значительной культурной и социальной ценностью. Позднее их стали активно использовать и в индивидуальной застройке, особенно в коттеджном строительстве, для придания объектам эстетической выразительности и дополнительной защиты.

В российской практике широкое применение архитектурно-декоративных элементов началось значительно позже, уже после распада Советского Союза. Подобное стало возможным благодаря нескольким факторам: сокращению объемов производства бетона и железобетона для промышленного строительства, снятию ограничений на застройку дачных участков и легализации частной собственности на недвижимость.

Основное направление в производстве архитектурно-декоративных элементов при этом сохранилось, оставалось ориентированным на использование изделий из бетона и железобетона, что продолжает задавать тон в развитии всей отрасли.

Стоит отметить, что железобетон является одним из ключевых формообразующих элементов современной архитектуры. Однако его потенциал для создания архитектурно выразительных сооружений остаётся недостаточно реализованным отечественными архитекторами и проектировщиками, что открывает новые возможности для развития дизайна и строительных технологий.

Одним из перспективных направлений в реализации концепции эстетичного строительства выступает использование архитектурного бетона, который будет обладать улучшенными декоративными и эксплуатационными свойствами. Технология применяется для создания декоративных фасадных элементов, скульптурных рельефов и элементов малой архитектуры, предполагает использование высокоподвижных литых или самоуплотняющихся бетонных смесей.

Для повышения декоративных характеристик таких бетонов широко применяются высококачественные белые и цветные цементы с добавлением пигментов. При изготовлении элементов со сложным рельефом или мелкими орнаментальными деталями используются заполнители с ограниченной максимальной крупностью, что позволяет добиться высокой точности узоров и выразительности поверхностей.

Одним из ключевых показателей качества архитектурного бетона является отсутствие усадки, что существенно повышает его эксплуатационные характеристики. Перспективным направлением в строительном материаловедении нового века становится разработка сверхвысокопрочных материалов, обладающих уникальными свойствами, приближающими их к металлу, керамике и полимерам.

Современные условия требуют активного внедрения новых конструкционных материалов в сочетании с передовыми технологиями. Одним из подходов является создание «новых материалов из прежних», например, за счёт армирования уже известных материалов. Армированный бетон, благодаря улучшенным прочностным характеристикам и экономической эффективности, значительно превосходит традиционный марочный бетон, что обеспечивает его востребованность в строительной индустрии.

Одним из самых прогрессивных методов армирования бетона является фибровое армирование, которое приводит к созданию материала под названием фибробетон. В зависимости от типа применяемых фибровых отрезков различают различные классы фибробетона. Наиболее распространённые типы фибр для бетона: стальные фибры; фибры из щелочестойкого стекловолокна; фибры из обычного стекловолокна; фибры из синтетических волокон.

Фибровое армирование стекловолокном становится одним из наиболее экономически выгодных и технологически простых способов укрепления бетона.

Стеклофибробетон (СФБ) — это разновидность фибробетона, который изготавливается на основе мелкозернистого бетона (матрицы) с добавлением стекловолокна (фиброволокон). Волокна равномерно распределяются по всему объёму бетона изделия или в отдельных его частях, что обеспечивает однородность материала и улучшение его эксплуатационных характеристик.

Состав стеклофибробетона:

— потрландцемент М500-М400;

— щелочестойкий стекложгут;

— песок с Мкр 1,2;

— вода;

— добавки типа ГКЖ-1ІУ, СЗ и др.

История строительства насчитывает множество примеров использования волокнистых материалов для укрепления матриц, недостаточно прочных сами по себе. В древности для этой цели использовали, например, солому в кирпичах из иловой глины или конский волос в штукатурке.

Более поздним примером является добавление асбестовых волокон в цемент, что позволяло значительно улучшить его прочностные характеристики. Однако со временем асбест был признан опасным для здоровья человека и запрещён к применению в жилых зданиях из-за его вредного воздействия на дыхательные пути.

Одним из известных недостатков бетона, как и любого каменного материала, является его низкая прочность на растяжение. Однако в стеклофибробетоне данную проблему решают стеклянные волокна, которые берут на себя растягивающие напряжения.

Модуль упругости стеклянных волокон примерно втрое превышает модуль упругости самого бетона, что значительно повышает общую прочность материала и улучшает его эксплуатационные характеристики.

Стеклофибробетон — материал, который сочетает в себе несколько важных свойств — рельефность, эстетическую привлекательность, тонкостенность и лёгкость. Он обеспечивает высокую прочность, отличную гидроизоляцию и надёжно механически защищает. Одной из главных областей его применения является архитектурный декор. Так, к основным преимуществам стеклофибробетона стоит отнести следующие:

— высокая прочность при сжатии и ударных нагрузках;

— коррозионная стойкость, которая обеспечивает его долговечность;

— огнестойкость, что делает материал безопасным для использования;

— отсутствие пор и раковин на поверхности, что улучшает внешний вид и гидроизоляцию;

— высокая морозостойкость, позволяющая использовать его в холодном климате;

— возможность изготавливать изделия с малым поперечным сечением, что уменьшает вес конструкций и снижает трудозатраты при монтаже;

— устойчивость к воздействию агрессивных сред;

— долговечность, обеспечивающая продолжительный срок эксплуатации.

Рис. Фиброволокио (отрезки стекловолокна)³⁴

Рис. Фиброволокио (отрезки стекловолокна)³⁵

Рис. Технологические цепочки для получения стеклофибробетона двумя основными методами — набрызгом и премиксингом³⁶

Применение стеклофибробетона значительно облегчает конструктивные элементы зданий и сооружений, снижает в том числе и их материалоёмкость. По сравнению с железобетоном, материал позволяет сократить использование металла на 30—50% и уменьшить общий вес конструкций на 40—60%. Как итог, стоит признать стеклофибробетон экономически выгодным и удобным для современных строительных проектов материалом.

Технические характеристики стеклофибробетона приведены ниже:

Таблица. Технические характеристики стеклофибробетона

Кроме того, стеклофибробетон отличается способностью точно воспроизводить форму опалубки, что позволяет изготавливать изделия со сложным рельефом и орнаментом. Благодаря такому свойству он находит широкое применение для реставрации исторических зданий и архитектурных комплексов, а также для модернизации устаревшего жилого фонда.

Для производства изделий из стеклофибробетона используются формы из металла, резины или полиуретана. С применением белого или серого цемента, а также добавлением красителей и других заполнителей, возможно создание широкой палитры цветов и разных вариантов отделки. Как итог, получается достаточно универсальный материал, находящий применение в различных архитектурных задачах.

Применение стеклофибробетонного напыления в сочетании с несущим каркасом, выполненным в виде архитектурного элемента для фасадной отделки, отличается дополнительными преимуществами. Такая технология позволяет использовать материал одновременно как несъёмную опалубку, а также задействовать пустотные пространства простенков для прокладки коммуникаций. Подход был успешно освоен на производственной базе «Объединения «Интекс», в чем доказана эффективность в строительных и отделочных работах.

Рис. Пример использования стеклофибробетона в архитектурных элементах³⁷

В 1999 году «Объединение «Интекс» разработало уникальную технологию и открыло первый в России завод «Белый камень», специализирующийся на производстве архитектурно-декоративных элементов фасадов. В ассортимент завода входят лепные украшения, декоративные барельефы, колонны, панели, обрамления окон и дверей, карнизы, фронтоны и другие элементы.

Изделия изготавливаются из инновационного материала — «белого камня», представляющего собой художественный литой бетон повышенной прочности с внутренним пространственным армированием. Такой материал сочетает в себе множество качеств, а именно: высокую декоративность, прочность и долговечность, что делает его востребованным для фасадной отделки и реставрационных работ.

«Белый камень» был разработан с учётом климатических условий России и отличается повышенной устойчивостью к экстремальным температурам (мороз и тепло), солнечному излучению и агрессивному воздействию атмосферных осадков. В отличие от традиционных материалов, например штукатурки или гипсовых изделий, которые уже через 5—10 лет начинают терять свои свойства, элементы из «белого камня» сохраняют прочность и эстетичный вид на протяжении всего срока эксплуатации здания.

Долговечность материала сопоставима с долговечностью самого дома. При этом естественное «старение» элементов из «белого камня» придаёт сооружению благородный вид, напоминает старинные постройки, что обосновывает дополнительно применимость материала для архитектурного оформления.

Основными компонентами для изготовления архитектурных бетонных элементов из «белого камня» служат цемент, песок, щебень, а также различные добавки и пигменты.

В производстве используются белый и стандартный портландцемент марки не ниже 500, который обеспечивает высокую прочность изделий. Особое внимание уделяется применению супер-белого портландцемента cem 1—52,5 производства словацкой компании «Holcim» a.s. и турецкой компании «Cimsa» cem 1—52,5n. Цемент отличается перспективными строительно-техническими характеристиками: высокой начальной и конечной прочностью, оптимальным гранулометрическим составом и исключительной степенью белизны, что делает его идеальным для декоративных и архитектурных целей.

Качественная характеристика белого портландцемента «Holcim» приведены ниже:

Таблица. Химический состав цемента, %

Таблица. Минералогический состав клинкера, %

Физические характеристики:

— удельная поверхность, м 2 /кг — 420 — 460;

— нормальная густота, % — 30 — 33;

— начало схватывания, мин — 100 — 160;

— конец схватывания, мин — 160 — 220;

— предел прочности при сжатии: при нормальном твердении: в возрасте 3-х суток, мПа — 38,0 — 42,0; в возрасте 28 суток, мПа — 57,0 — 62,0;

— белизна, %-8 8 — 90;

— признаки ложного схватывания — отсутствуют.

В качестве крупного заполнителя используются:

— гранитный щебень фракции 5—20 по ГОСТ 8267—93, ГОСТ 26633—91; насыпная плотность 1,4 т/м, истинная плотность 2,8 г/см3, марка щебня по прочности (дробимость) — Др1200;

— керамзит фракции 5—10 по ГОСТ 9757—83, ГОСТ 22263—76; плотность в цементном тесте 1,1 г/см3, насыпная плотность 0,65 т/м3, марка керамзита по прочности П300, водопоглощение по массе Wn-35%;

— щебень мраморный фракции 5—20 по ГОСТ 8267—93, ГОСТ 22263—76; истинная плотность 2,65 г/см3, насыпная плотность 1,6 т/м3, марка мрамора по прочности (дробимость) — Др16.

Мелким заполнителем для бетона являются:

— кварцевые пески, карьерный (Мансурово), речной соответствующие требованиям ГОСТ 8736—93, ГОСТ 26633—91;

— мраморная крошка. ГОСТ 8736—93, ГОСТ 26633—91;

— мелкий песок Люберецкого ГОК используется при изготовлении изделий из стеклофибробетона.

Основные эксплуатационные показатели изделий на основании их испытаний (см. акты испытаний), проведенных в Испытательном центре строительных материалов и продукции в строительстве «ЦНИИС-ТЕСТ» в 2002 г., приведены для изделий:

Декоративных из архитектурного бетона:

— марки бетона по прочности М200 и M300;

— морозостойкость F 200;

— средняя плотность 2360 кг/м3.

Декоративных из архитектурного облегченного бетона:

— марки бетона по прочности М200;

— морозостойкость F 200;

— средняя плотность 1420 кг/м3.

При производстве архитектурных бетонных элементов из «белого камня» используется разнообразная арматура (круглая, проволочная, витая, сталь периодического профиля, а также холодно сплющенная сталь).

Применение арматуры периодического профиля позволяет отказаться от устройства крюков, повышает трещиностойкость бетона и обеспечивает более эффективное использование арматуры.

Арматурная сталь различных классов поставляется в следующих формах:

— Класс А-I — круглые гладкие стержни;

— Классы А-II, А-III, А-IV — стержни периодического профиля.

Каждому классу арматурной стали (А-II, А-III, А-IV) соответствует внешний вид периодического профиля, установленный нормативной документацией. Стержни арматуры класса А-II оснащены выступами, расположенными по винтовым линиям с одинаковым направлением захода с обеих сторон стержня. Стержни класса А-III имеют выступы, расположенные по винтовым линиям с разным направлением захода: справа с одной стороны стержня и слева — с другой.

В процессе затвердевания бетон прочно сцепляется со сталью, что обеспечивает их совместную работу при нагрузке. Сталь, поскольку обладает значительно большей прочностью на единицу площади, чем бетон, принимает на себя основную долю нагрузки. Благодаря данному свойству даже при относительно небольшом сечении арматуры её вклад в общую несущую способность конструкции оказывается существенным, что делает армирование экономически и технически эффективным решением.

Сцепление арматуры с бетоном в возрасте 28 суток составляет примерно от 1/5 до 1/6 от предела прочности бетона на сжатие. Стальная арматура защищена от коррозии и сохраняет свои свойства на протяжении длительного времени, при условии, что бетон обладает достаточной плотностью (т.к. находится внутри него).

Для предотвращения проникновения воздуха и агрессивных газов к стержням арматуры в конструкциях необходимо обеспечивать защитный слой бетона. Слой играет ключевую роль в сохранении долговечности и надёжности железобетонных изделий.

Арматурная сталь при растяжении удлиняется прямо пропорционально приложенным напряжениям, пока они не достигают определённого значения. Соотношение сохраняется до момента, когда небольшой прирост напряжений приводит к резкому увеличению удлинений. Напряжение, соответствующее состоянию, называется пределом текучести стали и является одной из ключевых характеристик арматурной стали.

После достижения предела текучести сталь переходит в состояние текучести, при котором удлинения продолжают увеличиваться без роста напряжений. Если предел текучести арматурной стали превышен, стержни значительно удлиняются, что нарушает сцепление арматуры с бетоном. В результате в бетоне образуются трещины, увеличиваются прогибы конструкции, что может привести к её разрушению.

Применяется следующая арматурная сталь для железобетонных изделий:

— горячекатаная периодического профиля

— сталь 30 х Г2С, Сталь 35 ГС, 25 Г2С, Ст 5;

— холодносплющенная периодического профиля Ст 5; Ст 3;

— проволока стальная низкоуглеродистая холоднотянутая от 3 мм до 10 мм;

— горячекатаная круглая СтЗ.

Высокопрочные сорта стали, например углеродистая проволока, при растяжении не демонстрируют состояния текучести. Для таких материалов указывается только предел прочности, то есть уровень напряжений, при котором происходит разрыв образца.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

34

Источник: https://yandex.tm/images/touch/search?lr=47&text=glass+fiber&img_url=https%3A%2F%2Farm-plast.ru%2Fassets%2Fimages%2Fproducts%2F884%2Fbig%2F02.jpg&pos=21&rpt=simage

35

Источник: https://yandex.tm/images/touch/search?lr=47&text=%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BA+%D1%84%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BD%D0%B0&img_url=https%3A%2F%2Fwww.stroyportal.ru%2Fmedia%2Fcache%2Fcompanies%2F191893%2Fproducts%2F690058520%2Ffecc7266-08c4-425c-8f4d-e2b231f5fa62_image_large.jpg&pos=114&rpt=simage

36

Источник: https://yandex.tm/images/touch/search?cbir_id=10244099%2FV6gVxiEILXYrE9O9RoGTNg8641&cbir_page=similar&img_url=https%3A%2F%2Fac-bastion.ru%2Fwp-content%2Fuploads%2F3%2F1%2F3%2F31310c144a4db20c122f61eb892ce4c6.jpeg&lr=47&pos=2&rpt=imageview&source-serpid=uF5VrNckxMAM744mnJZR0Q&url=https%3A%2F%2Favatars.mds.yandex.net%2Fget-images-cbir%2F10244099%2FV6gVxiEILXYrE9O9RoGTNg8641%2Forig

37

Источник (фрагмент): https://ru.freepik.com/free-photo/facade-window-colonial-style-bangkok-thailand_4690250.htm#fromView=search&page=1&position=42&uuid=2372648f-0bf5-47ad-b931-b2163f1957c3