Состояние и возможности реорганизации промышленности производства бетона и железобетона

Как известно, в 60-е годы прошлого века в СССР была поставлена и успешно решена программа массового жилищного строительства. Для ее реализации была создана гигантская индустрия производства строительных материалов, большая часть ныне действующих заводов ЖБИ и ДСК были построены в те годы.

Со времени реализации программы прошло почти 50 лет.
Приходится констатировать, что промышленность по производству бетона и железобетона - основа стройиндустрии, не имевшая стимулов к совершенствованию, мало изменилась за эти годы: используются в основном те же, что и прежде, поточно-агрегатная технология, подвижные смеси, заполнители «с улицы», арматура не выше IV класса, недостаточное использование химдобавок, неоправданно высокое энергопотребление и т.д.
Не менее остро стоит проблема кадров. Работники предприятий, воспитанные на технологиях пятидесятилетней давности и практически не повышавшие своей профессиональной квалификации, теперь не только не справляются с новыми технологиями, но и, как правило, всячески препятствуют их внедрению.
Вследствие этих причин сейчас, по существу, необходимо заново создавать индустрию производства бетона и железобетона.
И начать следует с заполнителей и цемента. Что же необходимо сделать, чтобы привести бетонное производство к уровню ведущих мировых производителей?
В 60-е годы, несмотря на призывы к снижению стоимости строительства и жесткую регламентацию расходов цемента, вопрос о подготовке заполнителей для бетона на государственном уровне даже не ставился. Это на долгие годы затормозило развитие стройиндустрии страны. В развитых странах предприятия по производству строительных материалов работали на мытых, сухих, фракционированных заполнителях, в нашей стране использовали неподготовленные, загрязненные заполнители и цементы с неустойчивыми характеристиками.
Таким образом, одной из первоочередных задач, стоящих перед строительной индустрией России, является получение качественных заполнителей и цемента, что даст возможность на 10-15% снизить себестоимость строительных конструкций.
Конкретизируем проблему.
Щебень. Качество щебня в значительной степени зависит от технологии его получения - дробления, рассева, повторного дробления и т.д.
Основными задачами по совершенствованию технологии изготовления и использования щебня являются:
• организация раздельного хранения щебня различных фракций;
• исключение засорения щебня посторонними примесями в процессе транспортировки и хранения;
• удаление пылевидных фракций путем отмывки либо воздушной классификации;
• максимальное использование такого ценного продукта, каким являются отходы дробления, которые сейчас у нас просто вывозят на свалки;
• увеличение выхода кубовидного щебня после дробления;
• обеспечение получения фракций 50-80 мм для применения в сборных и монолитных фундаментах и малоармированных конструкциях.
Отметим, что решение перечисленных проблем - это не вопрос инвестиций, а всего лишь вопрос организации работы отрасли.
Песок. Совершенствование процесса подготовки песка для бетона требует гораздо более значительных усилий и инвестиций, чем совершенствование процесса подготовки щебня, это связано, в первую очередь, со степенью запущенности проблемы.

Во времена СССР практически никаких мероприятий по совершенствованию процесса подготовки песка не проводилось. Ведомственная политика (за добычу и поставку песка отвечал, в основном, Минречфлот) и затратная экономика привели к краху отрасли. Национальные стандарты практически не запрещали использование низкокачественных песков в бетонах, что не только повышало стоимость строительства, но и снижало долговечность зданий и сооружений. Систематические исследовательские работы не проводились. Ведущие отраслевые институты НИИЖБ и ВНИИжелезобетон не имели в своем составе специализированных лабораторий, которые занимались бы проблемами заполнителей.

По результатам исследований, проведенных автором, разработан расчетный аппарат, оценивающий «качество» песка по расходу цемента в зависимости от марки бетона и удобоукладываемости бетонной смеси.
При решении задачи оптимизации гранулометрического состава песка можно воспользоваться специальной Инструкцией, в которой представлены зависимости расхода цемента от гранулометрии песка.
За использование в бетоне неподготовленных песков приходится «платить дважды»: за случайный гранулометрический состав и загрязняющие примеси и за нестабильность технологического процесса, вызванную различиями по грансоставу и влажности в соседних замесах.
Использование неподготовленных песков в бетоне оценивается по расходу цемента, в среднем 15%, эта цифра зафиксирована в зарубежных нормах.
В песчаном бетоне перерасход цемента может достигать 30%.
Цемент. Положение с производством и качеством цемента также следует признать неудовлетворительным по целому ряду показателей.
Во-первых, по количеству производимого цемента. Значительная часть цементных заводов, работавших прежде в системе стройиндустрии СССР, осталась на территории стран СНГ. На тех заводах, что продолжают работать на территории России, сказывается многолетнее отсутствие капитальных вложений в отрасль: оборудование предельно изношено. По оценкам экспертов, степень изношенности основного оборудования составляет 60-70%.
Объем производства цемента в России составляет около 50 млн тонн, что удовлетворяет потребности строительства только на 60%. Для достижения среднеевропейского уровня строительства жилья, составляющего 1 кв. м в год на каждого жителя страны, объем производства цемента должен быть увеличен в три раза. Без строительства новых заводов и реконструкции существующих производств не обойтись.
Во-вторых, по качеству цемента. Все меньше производится чисто клинкерных цементов с гарантированными характеристиками и все больше цементов с добавками, причем вид добавки часто даже не находят нужным указывать в паспорте на цемент. Дефицит цемента и отсутствие надежных экспрессных методов определения его активности приводят к тому, что потребители вынуждены «брать что дают» и при существующем положении не могут даже предъявить рекламации заводу-производителю. Поскольку получение добавок и их помол обходятся гораздо дешевле, чем получение и помол клинкера, цемент насыщают добавками, и в большинстве случаев активность цемента, указанная в паспорте, не соответствует реальной.
Вопрос о поставке заводам-производителям бетона и железобетона цементного клинкера совершенно невыгоден для производителей цемента, поэтому такой вопрос даже и не ставится, хотя такая практика дала бы возможность крупным производителям бетона проводить помол цемента прямо на предприятии и получать свежемолотый цемент, активность которого соответствовала бы номенклатуре выпускаемых изделий, а также выпускать бетоны массовых марок на цементах низкой активности.
В-третьих, большой проблемой является стоимость цемента. Монополизация отрасли и растущий дефицит цемента привели к постоянному росту его стоимости, который в условиях рынка невозможно сдержать административными мерами. Так, с 2001 г. цены на цемент увеличились более чем в 4 раза.
Есть и объективные факторы роста стоимости цемента, который в России на подавляющем большинстве предприятий производится по устаревшему «мокрому» способу, требующему значительных энергозатрат. Рост стоимости энергоносителей автоматически приводит к росту стоимости цемента.

Очевидно, что промышленность по производству цемента нуждается, с одной стороны, в реконструкции, с другой стороны, в строительстве новых цементных заводов. Средства, необходимые для строительства цементного завода производительностью 1 млн тонн в год, составляют около 100 млн долларов. Срок окупаемости 7-8 лет. Это достаточно серьезные деньги для отечественного инвестора, притом что кредитование таких проектов банки осуществляют неохотно. Кредиты в строительство, пищевую промышленность, розничную торговлю гораздо более эффективны из-за быстрой окупаемости. Приготовление бетонной смеси. Бетон - конгломератный материал, однородность которого, в первую очередь, зависит от качества перемешивания входящих в состав смеси ингредиентов. Качество перемешивания зависит от типа смесителя, длительности перемешивания, вида и количества перемешиваемых материалов, порядка их введения в смеситель и т. д.
Влияние каждого из этих факторов достаточно хорошо исследовано, однако результаты таких исследований, как правило, полностью игнорируются практиками.
До сих пор использование бетономешалок принудительного перемешивания (вертикальный вал - горизонтальные лопасти) считается гарантией качественного перемешивания любых бетонных смесей. Однако, если такие смесители при правильном порядке введения ингредиентов в бетономешалку дают удовлетворительные результаты для смесей, удобоукладываемость которых оценивается осадкой конуса свыше 5 см, то с увеличением жесткости и «мелкозернистости» смесей однородность перемешивания снижается.
Оценка качества перемешивания затруднена рекомендуемой стандартом методикой, в соответствии с которой оценивается не «качество» перемешивания, а его «однородность», например, одинаково плохо, но равномерно перемешанная во всем объеме бетонная смесь удовлетворяет требованиям стандарта.

Массовый переход промышленности строительных материалов на выпуск изделий из мелкозернистых бетонов и использование в новых, в том числе импортируемых технологиях жестких и особо жестких смесей показали недостаточную эффективность существующего бетоносмесительного оборудования.
Установлено, что в жестких смесях и особенно в мелкозернистых жестких бетонных смесях перемешивание идет в макрообъемах, перемешивание внутри микрообъемов недостаточное.
В зарубежной практике производства оборудования для приготовления таких бетонов смесители снабжаются активаторами, дополнительно перемешивающими смесь в микрообъемах. Высокооборотные смесители-активаторы размещаются таким образом, что их воздействию последовательно подвергается весь объем замеса. Повышение гомогенности смесей существенно (до 7%) увеличивает прочность бетона.
Отсутствие в отечественной практике серийного изготовления подобных агрегатов делает целесообразным реализацию иной схемы перемешивания, гораздо более простой в выполнении и практически столь же эффективной.
Речь идет о смесителях, осуществляющих перемешивание во встречных потоках.
Отечественная промышленность выпускает двухвальную бетономешалку
СБ-163 (1500/1000), в которой качество перемешивания близко к качеству перемешивания в смесителях с активаторами.
Таким образом, комплекс мероприятий, включающий подготовку заполнителей, поставку качественного цемента, использование лучших образцов отечественного смесительного и дозирующего оборудования, а также автоматизация технологических процессов, включающая корректировку замеса по расходу воды с алгоритмами обратной связи и использование оптимальных схем введения материалов в смеситель - все эти меры дают возможность достигнуть качества бетонных смесей, близкого к качеству лучших образцов, получаемых в зарубежной практике.
Вот перечень основных задач, которые следует решить для повышения технологического уровня бетонного производства в России.
Технологии и оборудование для производства стройматериалов

Основной технологией бетонного производства в 60-х годах была (и остается до сих пор) поточно-агрегатная технология, при которой на каждом из технологических переделов ведутся операции с формами, как правило, с использованием крановых операций. Отсутствие форм существенно упрощает, удешевляет и ускоряет технологический процесс, поэтому современные технологии - это, в первую очередь, технологии безопалубочного формования: вибропрессование для производства мелкоштучных, преимущественно неармированных изделий, и непрерывного формования погонажных изделий на длинных стендах.

Обе эти технологии достаточно широко известны специалистам и оценены с разных точек зрения. Потребители определились с наиболее перспективными вариантами оборудования и, в частности, перспективными вариантами для использования в российских условиях.
По существу, основным направлением развития этих технологий является их модернизация применительно к расширению номенклатуры выпускаемых конструкций. В перспективе эти технологии могут дать возможность выпускать всю номенклатуру изделий для жилищного и дорожного строительства (для малоэтажного строительства это уже выполнено), но движение должно быть взаимным: не только менять технологический процесс применительно к конструктивной форме изделий, но и проектировать конструкцию применительно к возможностям технологии.
Перспективные для производства мелкоштучные изделия, изготовляемые вибропрессованием:
• термоблок - несуще-теплозащитный стеновой камень, самый дешевый стеновой материал России;
• лотковая цементно-песчаная черепица - весьма перспективный кровельный материал;
• бортовой камень с уменьшенной на 35% материалоемкостью;
• плиты для покрытий трамвайных путей - один типоразмер без арматуры и петель в межрельсовом пространстве, междупутье и на обочине, квадратный метр покрытия из указанных плит на 40% дешевле стандартных.
Перспективные железобетонные конструкции для изготовления на линиях непрерывного формования: балки, ригели, сваи (все это уже выпускается), шпунт, дорожные плиты, опоры линий электропередач, стеновые панели.

Проектирование составов бетона
Одна из наиболее сложных и ответственных задач при разработке технологического процесса - проектирование составов бетона. Какова цена вопроса? Что такое перерасход цемента по сравнению с оптимальным составом на 20 кг/м3? Кубовая бетономешалка, перемешивая бетоны с ОК=5-6 см, имеет среднесуточный цикл 3 мин или 300 замесов в течение 2-сменной работы, или 6 т цемента, или 1 тыс. долларов в сутки, или 250 тыс. долларов в год. Весьма серьезные деньги. А если бетономешалки две, а экономия 40 кг/м3 (что вполне реально)? Все это означает необходимость весьма тщательного выполнения этого этапа работ.
На заводах сборного железобетона проектирование составов, как правило, выполняется сотрудниками заводской лаборатории, заинтересованными в назначении составов бетона, гарантировано обеспечивающих требуемые характеристики вне зависимости от вида цемента, заполнителей и др., т.е. неэкономичных. В советские времена препятствием на этом пути были требования норм о максимально возможных расходах цемента, причем нормы были достаточно жесткими и контролировались органами надзора. Сейчас система развалена, контроля никакого нет, да и в условиях частной собственности его и не должно быть. Но и рынка, который должен стимулировать снижение себестоимости бетона, тоже нет.
Есть и объективные причины использования неоптимальных составов. Об одной проблеме - проблеме кадров уже говорилось выше. Вторая проблема более сложная и заключается она в методике проектирования составов.
Этим вопросом в России занимались выдающиеся ученые - Скрамтаев, Сорокер, Кайсер, Сизов, Баженов. Однако воспользоваться предложенными ими способами проектирования состава весьма затруднительно. Методы содержат большое количество эмпирических формул, графиков, зависящих от плохо определяемых характеристик. Так, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя устанавливается в зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси (причем разные графики для подвижных и жестких смесей), количества и нормальной густоты цементного теста, крупности песка, т.е. с весьма высокой неопределенностью.

Впрочем, иначе и быть не может при четырех неизвестных, поскольку для определения расхода цемента, щебня, песка и воды существуют две с половиной зависимости: уравнение абсолютных объемов, уравнение Боломея или закон В/Ц отношения и, предложенная Макмилланом зависимость «постоянства водосодержания», действующая в очень ограниченном диапазоне расходов цемента.
Более того, невозможно установить, оптимален ли полученный в результате проектирования состава результат или можно получить еще лучший.
По существу, предлагаемые методики мало пригодны для использования специалистами, работающими на бетонных заводах.
По нашему мнению, способ проектирования состава должен быть принципиально изменен. Действительно, проектирование состава при всех предлагаемых у нас и за рубежом способах начинаются с того, что мы как будто впервые подбираем состав. В действительности, составов подобрано тысячи и тысячи, и очень многие из этих подборов опубликованы. Среди этих многих можно отыскать тот, который максимально близок к заданному, т.е. подбирался для получения бетона той же марки, с той же удобоукладываемостью, на таких же цементах и т.д. То есть речь идет о том, чтобы дать возможность исполнителю по данным обработки уже проведенных подборов установить состав максимально близкий к заданному.
Для обработки данных по опубликованным составам мы можем воспользоваться инструментами, которых не было в распоряжении ни у Скрамтаева, ни у Сизова - компьютером и методом планирования эксперимента. И эта работа для тяжелых и песчаных бетонов была проведена.
Теперь с использованием полученных графиков в течение 10 минут можно установить предварительный состав бетона. После этого по предлагаемой методике делаются пробные замесы для уточнения удобоукладываемости смеси и изготовляются образцы для получения зависимости R=f (Ц/В). По этой зависимости определяется состав максимально близкий к оптимальному. Все прочие данные, зависящие от свойств заполнителей, цемента и др., автоматически учтены предлагаемым (запатентованным) способом, где изготовление образцов ведется из заданных материалов и в соответствии с требованиями технологии изготовления конструкции, для которой подбирается состав.
Тепловлажностная обработка
В технологии вибропрессования 20 бетонных стеновых камней изготовляются за 20 и менее секунд. Таким образом, время изготовления изделия одна секунда. После немедленной распалубки камни направляются в камеру ТВО, где проходят термообработку в течение 12-14 часов. Теперь эти показатели - явный анахронизм.
Эти режимы ТВО и 70%-ая отпускная прочность - наследие поточно-агрегатной технологии и использования бетонных смесей высокой подвижности. Откуда взялись эти 70? Предполагается, что сразу после изготовления изделие должно быть отправлено на стройплощадку и установлено в эксплуатацию. А почему так? Отчего стеновой камень не снять с формовочного поддона при 20%-ой прочности (этого достаточно для проведения транспортных операций и пакетировки), перегрузить на транспортный поддон и направить дозревать на складе готовой продукции? Это вопрос организации процесса. 20%-ая прочность при работе с «горячими» заполнителями и подогретой водой достигается в цехе через 2-3 часа при комнатной температуре - это период структурообразования жесткой бетонной смеси, период интенсивного набора прочности в начальный период твердения.
Таким образом, через 2-3 часа можно освободить формовочный поддон и вернуть его на пост формования.
Аналогичные предложения могут быть сделаны и для других технологий безопалубочного формования.
Подводя неутешительные итоги оценки состояния промышленности производства бетона и железобетона, необходимо понять: что же делать? и можно ли что-нибудь сделать для принципиального улучшения положения?
Ведь вопрос состояния стройиндустрии - это, кроме прочего, вопрос выполнения приоритетного национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».
Нередко приходится слышать мнения о том, что выполнение этого грандиозного проекта идет не так интенсивно, как планировалось, в первую очередь, потому, что в его реализации важная роль принадлежит бизнес-структурам. Заставить бизнес строить дешево и качественно может только рынок, а не указания даже самых высоких инстанций.
Однако рынка в России в классическом его понимании нет.
Российский капитализм принял уродливые формы, и норма прибыли в десятки и сотни процентов считается нормальной. Добровольно бизнес от нее никогда не откажется, и тем более - не будет финансировать исследовательские работы, направленные на удешевление продукции.
По существу, дешевые стройматериалы и дешевые технологии строительства - основа масштабного строительства доступного жилья. Все прочие вопросы, не требующие инвестиций, должны быть решены законодательной и исполнительной властью.
Но строить нужно сейчас, и нет времени ждать, пока рынок расставит все по своим местам.
Остается надеяться на владельцев отдельных предприятий (и такие люди есть!), которые вопреки существующей практике считают возможным реализацию новых разработок.