Разрушители бетона: как ученые испытывают строительные материалы на прочность

Портал «Будущее России. Национальные проекты» побывал в научно-исследовательском центре «Строительство», ведущем научном институте в своей отрасли, и узнал, как изобретаются новые сорта бетона и новые виды арматуры.

Приходилось ли вам видеть стертые бетонные лестницы или обвалившиеся фасады зданий? Невольно спрашиваешь себя: как такие прочные материалы могут разрушаться? Причин тому может быть много — от дефектов при производстве до нарушений при строительстве. Одно известно наверняка: такое не должно происходить, особенно когда речь идет о возведении домов в Арктике, в регионах вечной мерзлоты, на сейсмоопасных территориях. Предотвратить подобные разрушения помогает строительная наука. Портал «Будущее России. Национальные проекты» побывал в научно-исследовательском центре «Строительство», ведущем научном институте в своей отрасли, и узнал, как изобретаются новые сорта бетона и новые виды арматуры, а также как их проверяют на прочность.

В России к 2030 году должны ежегодно строить 120 млн кв. м жилья — такую национальную цель установил своим указом президент России Владимир Путин. И к решению этой задачи подключились не только региональные власти и строители, но и ученые. Именно благодаря их разработкам строительные площадки должны получить новые материалы и технологии, которые позволят возводить современное жилье быстро и надежно.

Ведущую роль в решении этой задачи играет научно-исследовательский центр (НИЦ) «Строительство». Он известен тем, что сопровождает возведение уникальных объектов, которые зачастую строятся в сложных инженерных или геологических условиях. Так, сотрудники НИЦ помогали при строительстве башен «Москва-Сити», храма Христа Спасителя, Останкинской телебашни, парка «Зарядье», практически всех стадионов чемпионата мира по футболу 2018 года, олимпийских объектов в Сочи, моста на остров Русский во Владивостоке, небоскреба «Лахта Центр» и многих других объектов.

«Проще сказать, что, наверное, в России нет ни одного сложного уникального объекта, к которому бы нас не привлекали», — говорит генеральный директор НИЦ «Строительство» Виталий Крючков.

За более чем 90-летнюю историю в стенах научно-исследовательского центра родились тысячи идей, которые впоследствии были воплощены в жизнь и внедрены на строительных площадках. Практически 60–70% всей существующей в России нормативной документации в области строительства так или иначе в полном объеме или частично разработали ученые НИЦ по итогам долгих и тщательных исследований.

Рождение бетона

Зачастую новая разработка начинается с химической лаборатории. Сегодня здесь ломают голову над свойствами песка, который сюда, в Москву, привезли с пляжа на Дальнем Востоке. Заказчики хотят начать его добычу в промышленных масштабах для производства бетона. Но перед этим они решили посоветоваться с учеными и, как оказалось, не зря — вердикт неутешителен: этот песок в строительстве использовать нельзя.

«По всем параметрам он идеален, кроме одного: реакционная способность превышена в шесть раз. Впоследствии это может привести к разрушению бетона», — объясняет заместитель руководителя группы физико-химических испытаний строительных материалов Сергей Котов.

Этому песку не суждено работать в строительстве, но как только нужный ингредиент для нового бетона подберут, он отправится на «кухню», где технологи подбирают особую рецептуру для новых видов строительной смеси. После изготовления смесь прибывает в испытательный центр, где начинается самое интересное: на специальном оборудовании бетон сжимают со всех сторон, чтобы проверить, при какой нагрузке он разрушится. Таким образом ученые убеждаются в прочности изобретенного ими материала. Причем сегодня новые поколения бетона зачастую по своим параметрам уже не уступают стали.

В климатическом зале образцы испытывают на долговечность при резко отрицательных температурах — до минус 70–80 градусов. «Одно из важнейших требований при выборе бетона в нашей стране — его морозостойкость, так как в России нам очень повезло с климатическим разнообразием», — поясняет директор Научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института бетона и железобетона (НИИЖБ, входит в НИЦ) Дмитрий Кузеванов.

Образцы бетона закладывают в формы и устанавливают в камере, где они проходят циклы поочередного замораживания и оттаивания — моделируются ситуации, максимально приближенные к естественной среде. После таких температурных «американских горок» бетон сравнивают с контрольными образцами и проверяют, поменял ли он свои свойства. Именно эти испытания отвечают на вопрос, насколько безопасными будут здания, построенные на Крайнем Севере, в арктической зоне, развитию которой в последнее время государство уделяет особое внимание.

Климатические испытания не ограничиваются лишь температурой — материал также нужно проверить на стойкость к различным агрессивным условиям, поэтому для него моделируют ситуации, например, сильных дождей и ветров.

Если маленький образец прошел все испытания успешно, пора тестировать его в составе больших конструкций. Оборудование НИЦ «Строительство» позволяет проверять конструкции высотой в несколько этажей. Причем иногда такие исследования длятся несколько лет, ведь нужно убедиться в прочности материалов при длительных постоянных нагрузках.

Когда новый сорт бетона готов к использованию, ученые разрабатывают для него техническую и нормативную документацию, иногда приходится вносить изменения в своды правил. Но даже на этом работа не заканчивается — теперь нужно проконтролировать, как этот самый бетон будут производить на местах, будут ли там соблюдать все необходимые параметры. Лишь после этого бетон попадает на стройку.

Люди НИЦ «Строительство»

Ученые НИЦ стараются уже на первых этапах — на уровне химических добавок — убедиться в безопасности строительных материалов и предотвратить несчастные случаи. Но иногда приходится иметь дело с уже произошедшими ЧП. Около десяти лет назад летом в Москве из монолитного бетона в некоторых многоквартирных домах вдруг начал резко выделяться аммиак. Узнать причину поручили НИЦ «Строительство».

Проанализировав все компоненты бетона, ученые нашли «виновника» — противоморозную добавку. Ее при строительстве добавляли в монолитный бетон зимой, а летом при повышении температуры она произвела опасную для жизни реакцию. После этого ученые провели большие научно-исследовательские работы, изобрели защитное покрытие, которое способно сорбировать аммиак, подготовили методические рекомендации и внесли изменения в свод правил — сделали все, чтобы подобная ситуация не повторилась.

«У нас никогда нет рутинной работы, всегда возникают новые интересные задачи, как решить проблему людей», — говорит замруководителя группы Сергей Котов.

В НИЦ «Строительство» он работает около семи лет. Пришел сюда почти сразу после университета, где получил специальность инженера-технолога. «После окончания аспирантуры я стоял перед выбором, где найти такую работу, которая не только была бы тесно связана с наукой, но и решала бы практические задачи. НИЦ «Строительство» в этом плане идеальное место», — отмечает Котов.

Сегодня в научно-исследовательском центре трудятся почти тысяча человек, из которых около 700 — научные сотрудники, порядка 300 из них с учеными степенями кандидатов и докторов наук. На счету у многих из них ценные строительные разработки.

Одна из последних — новый запатентованный вид арматуры. Если обычно арматура при монтаже соединяется с помощью сварки, долгого и трудоемкого процесса, то ученые НИЦ изобрели арматуру с винтовой резьбой, которую нужно не варить, а собирать как конструктор, закручивать и закреплять муфтой.

«Это просто и удобно. Таким образом повышается надежность соединения. Кроме того, это позволяет экономить время на монтаже железобетонных конструкций, а также до 30% стоимости затрат на монтаж — это миллиарды рублей по отрасли», — уточняет гендиректор НИЦ.

Перед использованием новая арматура прошла привычное тестирование в испытательном центре, где ее растягивали на специальном оборудовании, чтобы проверить предел прочности — при какой нагрузке она разорвется. Испытания прошли успешно: в итоге не выдержал стержень арматуры, а не новое соединение. Разработка НИЦ уже применяется при строительстве атомных станций Росатома. Сейчас в лабораториях ученые вместе со строителями совершенствуют технологию, дорабатывая ее по мере применения.

Новые решения

«Госкомпании и крупные строительные холдинги готовы тратить средства на разработку и исследования, когда они видят конкретный результат. Таких решений у нас много: самоуплотняющиеся бетоны, сухая заливка бетонов и многое другое. У нас на сегодняшний день порядка 150 патентов, которые постоянно обновляются. Среди них есть глобальные разработки, которые меняют и кардинально улучшают качество строительства», — подчеркивает Крючков.

Поэтому сейчас российская строительная отрасль может делать то, чего раньше не могла, продолжает он. Например, строить такие небоскребы, как «Лахта Центр» в Санкт-Петербурге, на глинистых грунтах. Специально для этого высочайшего здания Европы ученые НИЦ разработали уникальную технологию фундамента.

Кроме того, НИЦ «Строительство» развивает перспективное деревянное домостроение, а также ведет большую программу исследований по строительству на многолетне-мерзлых грунтах. Компетенция ученых понадобится, в частности, в Норильске, одном из самых северных городов мира, который сейчас готовится к реализации масштабной программы реновации жилья. Летом НИЦ «Строительство» открыл там свой филиал.

«Для того чтобы провести реновацию в Норильске, нужно обследовать имеющийся жилой фонд, разработать новые или проверить уже существующие современные технологии строительства для данного климата и грунта», — говорит Крючков. Он поясняет, что сейчас в Норильске существует риск проседания строений из-за оттаивания вечной мерзлоты. Поэтому для новых зданий нужно разработать такие инженерные решения, которые будут учитывать климатический прогноз, насколько сильно грунт может оттаять в будущем. Фундамент и конструкции должны быть к этому готовы.

В НИЦ «Строительство» также находится уникальный центр по исследованию строительства в сейсмоопасных регионах. Здесь расположена единственная в России сейсмоплатформа, которая испытывает стойкость строительных конструкций в условиях землетрясений.

«Мы разработали свод правил, который нормирует строительство в сейсмоопасных зонах. Это направление для нас одно из приоритетных. Сейчас по инвестпрограмме мы занимаемся строительством новой сейсмоплатформы. После ее ввода в эксплуатацию до конца следующего года мы получим одну из ведущих мировых лабораторий в этой сфере», — отмечает Крючков.

В результате научно-исследовательский центр «Строительство» более чем за 90 лет своей работы накопил опыт по возведению объектов любой сложности в местах, которые на первый взгляд совершенно для этого не предназначены. Фактически он участвует в реализации всех национальных проектов, сопровождая постройку школ, поликлиник, домов культуры, дворцов спорта и многого другого, подчеркивает Крючков. Кроме того, здесь проводят научные исследования и разрабатывают новые технологии.

«Если нам ставят задачу выйти на ежегодный ввод 120 млн кв. м жилья, то наша цель — найти такие решения, чтобы мы могли это делать быстро. Если это бетон, то он должен быстро затвердевать, если это арматура, то она должна быстро собираться. И это лишь единичный пример того, чем мы здесь занимаемся», — заключает директор НИИЖБ.

Анастасия Солдатова // «Будущее России. Национальные проекты»

ИСТОЧНИК – МИНСТРОЙ РОССИИ