ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ, КОНСТРУКТИВНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТОВ КАПИТАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В статье приводится обоснование оптимизации архитектурно-планировочных, конструктивных, технологических и материаловедческих решений объектов капитального строительства. Проведён анализ современных представлений о взаимосвязи архитектурных, объёмно-планировочных, конструктивных, технологических и материаловедческих решений в области капитального строительства. Проанализирована композиционная теория строительных материалов с направленной микро- и макроструктурой. Предложены модели взаимозависимостей состав-структура-технология-свойства на базе полиструктурной теории и технологии раздельного послойного формования изделий стереорегулярной макроструктуры.

Ключевые слова:
архитектура, конструкции, объект капитального строительства, архитектурно-конструктивно-технологическая система, микроструктура, макроструктура, бетоны, стереорегулярная структура
Текст

Для современного возведения эффективных и безопасных объектов капитального строительства (ОКС) требуется комплексный подход, включающий архитектурные, объёмно-планировочные, конструктивные, технологические и материаловедческие нетрадиционные решения. Современные конструктивные системы зданий [1-3] требуют разработки новых видов эффективных и высокоэкономичных несущих и ограждающих конструкций, которые в свою очередь требуют новых видов тяжёлых и лёгких бетонов, эффективных для них заполнителей, современных высокомеханизированных технологий. Для осуществления этих требований по предложенной линейной зависимости требуется также разработка современной архитектурно-конструктивно-технологической системы (АКТС) с применением новых несущих и ограждающих конструкций, технологических переделов, бетонных составов. АКТС также предусматривает разработку современных архитектурно-планировочных параметров зданий с быстрой перепланировкой и модернизацией в зависимости от возникших обстоятельств и требований комфорта. Эти задачи можно обеспечить только комплексным применением архитектурных, планировочных и конструктивных решений на основе применения эффективных видов тяжелых и лёгких бетонов, а также других материалов и конструкций.

Легкобетонное домостроение в настоящее время имеет преобладающее направление [4]. В нём, прежде всего, хорошо уживается комплексное применение легких бетонов в ограждающих, а тяжёлых бетонов в несущих конструкциях. Тяжелые бетоны высоких марок всесторонне и достаточно изучены. Лёгкие же бетоны, из-за многочисленности разновидностей заполнителей и их различных свойств [5-7], продолжают изучаться и проектируются требуемые для современных высокоэффективных ограждающих конструкций свойства. Одним из основных преимуществ лёгких бетонов является возможность проектирования его физико-механических характеристик технологическими методами. Это позволяет для проектируемой марки бетона добиваться требуемых показателей средней плотности, деформативности, теплопроводности, звукоизоляции, водопроницаемости и т.д. Это преимущество и является основной задачей технологии легкобетонных изделий, конструкций и её отличием от тяжёлого бетона.

В современном материаловедении чётко прослеживаются два направления исследований и внедрения в производство теорий искусственных конгломератных и композиционных строительных материалов. Ещё в конце 70-х и начале 80-х годов XX столетия стали выделяться и развиваться эти два научных направления по оптимизации качественных показателей строительных материалов. Первое направление – конгломератная теория с направленной макроструктурой, разрабатываемая школой И.А. Рыбьева. Вторая – композиционная теория с направленной микро- и макроструктурой, предложенная школой А.В. Нехорошева и В.И. Соломатова. Эти теории не имеют противоречий между собой, а наоборот дополняют друг друга.

Основным положением искусственных строительных конгломератов (ИСК) является то, что все материалы при оптимальных структурах подобны между собой. Поэтому все материалы оптимальных структур могут быть объединены общей теорией, закономерностями и методами проектирования их составов, методологией научного исследования при создании как новых, так и традиционных строительных конгломератов. Расчётно-экспериментальный метод проектирования оптимальных составов ИСК предполагает три этапа:

  • обоснование выбранных строительно-эксплуатационных условий, исходных сырьевых материалов и компонентов, основных параметров качества и технологии их производства;
  • обоснованное назначение оптимального состава, при котором для принятой технологии обеспечивается получение ИСК оптимальной структуры и с заданным уровнем показателей качества;
  • проверка проектного состава на производстве с дополнительным корректированием номинального и реального состава в заводских условиях.

По представлениям авторов, главный недостаток конгломератной теории в том, что в ней присутствует неоднородность и неравномерность расположения твёрдых частиц в материале, отсутствует процесс направленного воздействия извне на получаемую структуру материала технологическими методами.

Теория композиционных строительных материалов (KCM), по определению В.И. Соломатова [8], включает в себя проектирование технологии для направленного формообразования искусственных материалов предварительно заданных структур, составленных из двух и более мономатериалов с резко различными свойствами. В дальнейшем они приобретают в результате такого сочетания комплекс новых свойств, которые не присущи исходным материалам. Современные искусственные строительные материалы и конструкции являются композиционными. Причём, перечень их непрерывно увеличивается в результате интенсивной разработки новых материалов с требуемым комплексом свойств как на микро-, так и на макромасштабных уровнях. В этот перечень входят и различные виды бетонов, хотя они, в целом, и имеют конгломератную структуру. В них каждый компонент выполняет свою роль:

  • заполнители (75-85% объема) – заполняют основной объем формы, создают каркас, снижают усадку при твердении;
  • цементно-растворная составляющая образует жидкое тесто (вяжущее + вода + мелкий заполнитель) – выполняет функцию смазки и клея между заполнителем, обеспечивая подвижность смеси при перемешивании и формовании изделий. После затвердевания образует матрицу, которая выделяется как непрерывная среда, объединяющая зерна крупных и мелких заполнителей, создаёт объёмную монолитность бетона, придаёт форму конструкции, создаёт условия для совместной работы с заполнителем, предохраняет его от механических повреждений, излишнего водопоглощения, а органические заполнители от старения, а также повышает прочность бетона при сжатии после твердения;
  • добавки – их специально вводят в состав для изменения реологических свойств бетонной смеси (повышая подвижность при низком В/Ц отношении), и затвердевшего бетона (ускорение роста прочности, снижения пористости, повышения плотности), и других свойств.

В таких условиях простая систематизация материалов и описательный метод их обобщения, как в конгломератной теории, становятся недостаточными. Назрела необходимость создания единой теории, устанавливающей количественные зависимости в цепочке микро-, макроструктура–технология–свойства–архитектурно-конструктивная система. Это должно обеспечивать прогнозирование надежности и долговечности материалов, конструкций и ОКС в целом. На базе такой теории возможны совершенствование известных и создание новых КСМ.
На взгляд авторов, наиболее полно поставленным задачам отвечает полиструктурная теория, в рамки которой включается и КСМ. Для решения поставленных прикладных инженерных задач наиболее значимы для легких бетонов являются микро- и макроструктура. Возможен анализ зависимостей и на других граничных уровнях, например, технология–конструкция, конструкция–конструктивная система, конструктивная система–архитектурно–планировочная концепция.

Для понимания механизма синтеза и твердения КСМ и направленного управления ими необходимо, прежде всего, рассмотрение структуры на молекулярно-ионном уровне. Определяющими структурообразующими факторами микроструктуры является природа, концентрация клеящего (вяжущего) вещества, содержание и дисперсность мелких заполнителей, наполнителей и их физико-химическая активность в контактной зоне. А создание эффективных строительных изделий обеспечивается при конструкционном подходе к макроструктуре, когда в качестве структурных элементов выступают крупные заполнители, крупноячеистые включения и другие, ориентировано расположенные элементы в формуемом строительном изделии: металлические и полимерные арматурные каркасы, плоские и объёмные вкладыши. Актуальность и своевременность обоснования единой теории подтверждаются также острой необходимостью разработки таких технологий получения КСМ, которые обеспечивали бы максимальную простоту при утилизации побочных продуктов и отходов производств.

Достигнуты определенные успехи в оптимизации микроструктуры и состава вяжущих. Проведено обоснование с позиций теории метастабильных состояний экстремальной зависимости свойств от соотношения вяжущего вещества и наполнителя, сформулировано понятие «оптимальная микроструктура» как в конгломератной, так и в полиструктурной теориях. А с использованием экстремальной зависимости можно применять метод подбора оптимальных составов связующих для различных видов бетонов. Однако, само понятие оптимальности структуры на современном этапе развития науки о бетонах не отражает истинной картины механизма наполнения микроструктуры в контакте фаз. Происходит наглядное изменение пониманий, мнений и воззрений на основе переоценки современных научных теорий, которые подтверждены практикой. Теоретическое представление об оптимальной микро- и макроструктуре, как совокупности равномерно распределенных в объёме матрицы частиц наполнителя и заполнителя, покрытых тонкими плёнками клеящего вещества, удобно для восприятия, но излишне идеализировано. Тем более, что для реальных бетонов характерна конгломератная микро- и макроструктура, в которой присутствует неоднородность и неравномерность расположения твёрдых частиц. Поэтому можно говорить лишь о большей или меньшей степени неравномерности их распределения в объёме связующей матрицы (рис. 1). 

Даже в низконаполненных смесях частицы наполнителя и зёрна заполнителя не стремятся к равномерному распределению, а, напротив, наблюдается тенденция к образованию их агрегатов-кластеров разных размеров нередко с неполным смачиванием вяжущим поверхности заполнителя. Проведенные оптические исследования прозрачных вяжущих веществ показывают, что распределение частиц заполнителей в них напоминает картину звёздного неба с близким или отдалённым объединением частиц в группы-агрегаты, выступающие автономно как своеобразные макрочастицы. Агрегирование частиц заполнителей – важнейшая тенденция в структурообразовании, закономерности которой практически не изучены в технологии бетонов.

Рис. 1. Реальная микро- и макроструктура керамзитобетона нормального конгломератного строения

Понимание и использование этих закономерностей необходимо для формирования оптимальных структур и управления свойствами высоконаполненных материалов. Не менее важны тесно связанные с проблемой агрегирования наполнителей и заполнителей вопросы назначения их оптимальной дисперсности и гранулометрического состава. Признавая приоритет показателя удельной поверхности, как структурообразующего фактора, необходимо количественно оценить влияние размеров и формы частиц, распределения их по фракциям, энергетического взаимодействия между ними и плотности упаковки. Для этого необходимо установить очевидную взаимосвязь дисперсности заполнителей с вязкостью и активностью вяжущих веществ, выявлять и давать технико-экономическую оценку при оптимизации вида и дисперсности наполнителей. Оптимизация микроструктуры будет неактуальной без учёта фактора физико-химического взаимодействия в контакте фаз вяжущее–наполнитель и трансформации этого взаимодействия в процессе твердения. В практической технологии показатели смачивания поверхностной активности и адгезии вяжущих веществ в сочетании с конкретными наполнителями и заполнителями чаще всего остаются неизвестными. При оптимизации макроструктуры КСМ также важны вопросы установления потребного количества растворной части, как связующего, и уплотнения смесей заполнителей и армирующих элементов. Из полиструктурной теории непосредственно вытекает раздельная технология формования и полидисперсное армирование КСМ, как наиболее рациональное, технологичное и перспективное направление. В эту цепочку встраиваются также технология, материалы, строительные конструкции, конструктивные системы с каркасной макроструктурой. В этой технологии предварительно производится формирование каркаса из заполнителей с последующим заполнением пустот растворной частью (связующим) на тех же или иных вяжущих, что позволяет получать КСМ со статической и динамической прочностью, намного превышающей прочность связующего, при одновременной его экономии. КСМ каркасной структуры легко придаются специальные свойства: прочность, плотность, избирательная химическая стойкость, сопротивление нагреву и износу, радиационная стойкость и т.п. Объединение в одном изделии каркасов из заполнителей и арматурных каркасов означает переход от КСМ к сложным строительным конструкциям и конструктивным системам зданий. Поэтому назрела необходимость интенсификации работ по продолжению исследований и внедрению каркасных КСМ. Раздельное приготовление связующего оптимальной микроструктуры с последующим формированием каркасной макроструктуры, совмещенными с заполнителями и армирующими элементами, и раздельная послойная технология формования обеспечивает большую возможность направленного регулирования структуры и технологического цикла. При этом обеспечивается физико-химическая модификация вяжущих, наполнителей и заполнителей на уровне микро- и макроструктуры, появляется возможность осуществлять приготовление связующих и смесей КСМ в различных температурных режимах со сдвигом по времени, а также применять новые современные технологические методы.

Также назрела необходимость осуществлять комплексный подход для изучения взаимосвязи и взаимозависимости структуры и технологии для каждого масштабного уровня. Структурообразование является центральным звеном исследуемых в материаловедении связей. Моделирование рецептурно-технологических ситуаций без учёта физических закономерностей структурообразования и вида материалов на каждом структурном уровне малоэффективно и даёт только локальный эффект. Система структурных связей схематически представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема связей в ряду состав–технология–структура–свойства

Зависимость между составом и структурой указывает на влияние количественного и качественного состава компонентов бетона на образование определённых типов структур на каждом масштабном уровне. На макроуровне определяется количественным соотношением вяжущего (цементного теста) и крупного заполнителя. В зависимости от соотношения Ц/З бетон может иметь три типа структур: с плавающим расположением заполнителя, с контактным и крупнопористую. Зависимость состав–структурообразование может иметь и обратную связь. Зависимость в ряду технология–структурообразование оценивается влиянием технологических факторов и внешних условий на организованность структурных составляющих в плоскости и в объёме, что даёт возможность получать как изометрические (беспорядочно ориентированные), так и стереорегулярные (специально ориентированные) макроструктуры.
Рассмотрение частной зависимости структура–свойства указывает на то, что определённая структура даёт возможность получить заданный комплекс механических и физико-технических свойств. Например, максимальную прочность тяжёлого бетона будет иметь структура с контактным расположением заполнителя, а крупнопористая будет иметь прочность значительно меньшую, но зато хорошие теплофизические свойства. Частные зависимости состав–структура и структура–свойства наглядно представлена в графической интерпретации (рис. 3, а, б). Применительно к бетонам более наглядно пользоваться общей зависимостью состав–структура–свойства (рис. 3, в).

Рис. 3. Зависимость, выраженная в графической форме,в ряду состав–структура–свойства:
 а – зависимость состав–структура; б – зависимость структура–свойства;
в – обобщённая зависимость состав–структура–свойства; S1 и S2 – участки экстремальных значений факторов

К заданным свойствам бетона можно подойти двумя путями:

  • по ранее назначенному составу получать определённый тип структуры, соответствующий данному составу. Этот путь в большей степени присущ изометрическим структурам, так как в таких бетонах возможно заранее достоверно определить неориентированный, хаотичный тип структуры;
  • по ранее заданной структуре, отвечающей данному свойству бетона, определять его состав. Этот тип присущ только стереорегулярным структурам и его, возможно, получить различными технологическими приёмами.

Такой подход к проектированию бетонов, изделий и конструкций на их основе позволяет максимально оптимизировать их структуру и свойства за счёт направленной технологии раздельного формования [9, 10]. Оптимальная стереорегулярная структура обеспечивает получение необходимого комплекса физико-технический свойств строительных изделий и конструкций, производимых при минимуме затрат материальных и энергетических ресурсов, а также при исключении структурных напряжений и дефектов.
 

Список литературы

1. Тамразян А.Г., Алексейцев А.В. Современные методы оптимизации конструктивных решений для несущих систем зданий и сооружений // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 1. С. 12-30.

2. Уткина В.Н., Кузнецов В.А., Тишкин К.А. Конструктивные системы современных высотных зданий // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. Материалы юбилейной двадцатой международной научно-технической конференции, посвящен-ной 90-летию Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва. Саранск, 2021. С. 139-146.

3. Хакимов Ш.А. Сейсмобезопасность конструктивных систем современных жилищно-гражданских зданий центрально-азиатского региона // ГеоРиск. 2017. № 1. С. 54-60.

4. Давидюк А.Н., Несветаев Г.В. Крупнопанельное домостроение – важный резерв для решения жилищной проблемы в России // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 24-25.

5. Малахова А.Н., Стронгин М.А. Применение легких бетонов для конструктивных элементов многоэтажных зданий // Научное обозрение. 2017. № 18. С. 13-18.

6. Крылов С.А. Легкие бетоны на пористых заполнителях // Аллея науки. 2018. Т. 2. № 1 (17). С. 199-201.

7. Жуков А.Д., Козлов С.Д., Коридзе В.Г., Когут А.Ю. Эффективные легкие заполнители для бетонов // Инновации в жизнь. 2017. № 2 (21). С. 262-269.

8. Селяев В.П. Композиционные строительные материалы каркасной структуры. – Саранск: Издательство Мордовского университета, 1993, 167 с.

9. Синянский И.А., Шипков О.И., Орлов Е.В. Использование легкого керамзитобетона для изготовления ограждений наружных стен // Системные технологии. 2020. № 1 (34). С. 53-56.

10. Синянский И.А., Манешина Н.И., Джангидзе З.У. Структурообразующий заполнитель для панелей и блоков сельскохозяйственных зданий // Системные технологии. 2022. № 1 (42). С. 27-31. doi:https://doi.org/10.55287/22275398_2022_1_27


Войти или Создать
* Забыли пароль?