Торкретирование

Калиниченко Николай Николаевич
ТОРКРЕТИРОВАНИЕ


Введение


Торкретирование как способ укладки мелкозернистого бетона появилось в 1907 году, когда таксидермист Артур Эйкли изобрёл цемент-пушку для изготовления чучел доисторических животных в натуральную величину для Национального парка Нью-Йорка. Исходно торкретирование изобреталось и использовалось как конструктивная технология, т.е. как способ бетонирования строительных конструкций, и прежде всего тонкостенных железобетонных оболочек. Этот способ и устройство для его осуществления под названием цемент-пушка были запатентованы их автором в 1911 году, а в 1913 году применёны для укрепления стенок окопов в Санкт-Петербургском Артиллерийском училище. И в дальнейшем как конструктивная технология торкретирование в России применялось только под землей: для укрепления и облицовки (обделки) стенок колодцев, проходческих шахт, тоннелей и т.п. В надземном строительстве оно применялось лишь как вспомогательная технология для ремонта железобетонных конструкций и гидроизоляции пожарных резервуаров, очистных сооружений, бассейнов. Как конструктивная технология торкретирование применялось чрезвычайно редко и исключительно для возведения сооружений павильонного типа: заправочных станций, автобусных остановок, ангаров, а также малых архитектурных форм. Например, в 1976 году в городе Лоо под Туапсе построено здание заправочной станции из торкрет-бетона, которое успешно используется до сих пор. В это же время в Солнечногорске под Москвой на надувной опалубке был построен ангар шириной 12 и длиной 36 метров, который тоже стоит до сих пор. После этого ангара подобные ангары строились по всему Советскому Союзу, поэтому в г.Ангрены в Казахстане был создан завод по производству надувных опалубок. Первым сооружением из торкрет-бетона, которое построил своими руками автор этих строк в 1987 году, был бассейн для Правительства СССР на Ленинских горах в Москве. Этот бассейн тоже работает до сих пор. Поэтому мнение о том, что торкретирование хорошо лишь для изготовления малых архитектурных форм, не соответствует действительности. Тем более, что за рубежом, в том числе в США и в Европе, оно получило широкое распространение и в промышленном, и в гражданском строительстве для возведения самых различных зданий и сооружений. Ограниченное применение торкретирования в России происходит по нескольким причинам, главная из которых – неосведомлённость.



Бетон



Основным строительным материалом сегодня является бетон. Специалисты обязательно заметят, что бетон без железа – это деньги на ветер, но и в железобетоне главный материал – бетон.


Как таковой, бетон состоит из двух составляющих: из вяжущего и заполнителя. Если вяжущее – битум, а заполнитель – песок, то у нас - асфальтобетон. Если вяжущее – цемент, а заполнитель – щебень, то у нас - просто бетон. А если у нас вяжущее – цемент, а заполнитель – песок, то эту смесь именуют раствором. Из асфальтобетона получают асфальт, из бетона – бетонные и железобетонные конструкции, а из раствора – штукатурку.


Асфальтобетон для возведения строительных конструкций не применяют из-за низкой прочности и текучести вяжущего, т.е. битума (или смолы), а раствор обычно не применяют для возведения строительных конструкций из-за неумения его как следует уплотнить из-за песка. Но в отличие от битума, с которым уже ничего нельзя поделать кроме как разложить на составляющие, у песка есть до сих пор неоценённые, а потому и не используемые в строительстве качества. Но прежде, чем перейти к ним, остановимся на недостатках песка как заполнителя.


Основной недостаток песка – это то, что он мелкий. У каждой песчинки, сколь малой она ни была бы, есть своя площадь поверхности. И когда песчинка в растворе, её поверхность должна быть смазана цементом, в противном случае она не склеится с соседними песчинками и штукатурка осыплется. Но чем меньше песчинки в растворе, тем больше их общая площадь поверхностей на единицу объёма, и тем больше нужно вяжущего, например, цемента, на эту единицу объёма. И наоборот, чем большего размера частицы заполнителя в растворе, тем меньше их общая площадь поверхностей и тем меньше нужно вяжущего для их соединения. На этом и основывается применение щебня в качестве заполнителя бетона. Никакими иными преимуществами перед песком щебень не обладает. Но у него есть пара существенных недостатков, которым до недавнего времени не уделялось должного внимания.


Наши достоинства – это продолжение наших недостатков, и наоборот. Это справедливо и по отношению к щебню. Его частицы большие, поэтому удельная площадь поверхности на единицу объёма у него небольшая. Но сами по себе эти частицы достаточно заметны. Более того, они просто выделяются в бетоне. А так как коэффициент теплового расширения у них всегда отличен от коэффициента теплового расширения склеивающего их цемента, то рано или поздно эти крупные частицы просто разрывают цемент и разрушают бетон. Это разрушение не происходит достаточно долго лишь в тех случаях, когда железобетонная или бетонная конструкция не подвергается существенному перепаду температур. Например, когда она находится внутри отапливаемого помещения.


Второй существенный недостаток – это искусственность щебня. Как таковой щебень – это невосполняемый природный ресурс. Он производится путём дробления природного камня. Но природный камень – это живописные скалы, которые есть далеко не везде, да и те, что есть, далеко не везде хочется уничтожить. Например, во Франции их уже вообще не хотят уничтожать. И в той же Франции уже нашли выход из этого казалось бы безвыходного положения. Французские строители обратили своё внимание на песок.


В отличие от щебня песок производит сама Природа, поэтому он – восполняемый ресурс, и его добыча не ведёт к существенному разрушению природного ландшафта. Кроме того, будучи в бетоне, он не так разрушает его, как щебень. Правда, за это приходится расплачиваться перерасходом цемента. Но расплачиваться приходится за всё. А перерасход цемента – не единственный недостаток мелкозернистого бетона, как называют строители бетон из песка и цемента. Его второй недостаток – это плохая уплотняемость. Большая общая поверхность песчинок создаёт большое внутреннее трение между ними. Песчинки как бы цепляются друг за друга и не дают уложить их поплотнее. Уменьшение трения между ними за счёт цемента и воды, а также особых добавок, повышающих текучесть или пластичность бетона – не самый лучший и дешёвый способ решения этой проблемы. Более дешёвые и действенны особые способы уплотнения пескобетона. Например, ударный, при котором получают шок-бетон, и прессованием, но они применимы далеко не всегда и не везде. И, казалось бы, нет, и не может быть общего решения всех этих задач. Поэтому каждая из них до сих пор и решается своим способом и на своем месте. Тем не менее, общее решение существует. И это решение – торкретирование.


Технология

Сегодня применяются два способа торкретирования – сухой и мокрый. Первым был изобретён сухой способ. При этом способе сухая смесь песка и цемента с помощью сжатого воздуха по штукатурным рукавам подаётся к месту нанесения. На выходе из шланга устанавливается особое металлическое сопло, в которое дополнительно подаётся вода. В сопле сухая смесь песка и цемента перемешивается с водой и вылетает из него в виде факела со скоростью от 70 до 120 метров в секунду. Налетая на преграду, уже влажная смесь налипает на неё и уплотняется.


При мокром способе по штукатурным рукавам с помощью сжатого воздуха подаётся готовый цементный раствор, или мокрая смесь цемента и песка. Она тоже проходит через факелообразующее сопло и с той же скоростью от 70 до 120 метров в секунду наносится на основание.


Сухой способ торкретирования был изобретён первым, и потому получил большее распространение и большую известность. Однако он обладает одним существенным недостатком, приводящим сразу к нескольким отрицательным последствиям. Недостаток этот – сухость цементно-песчаной смеси. Во-первых, в строительных условиях её далеко не всегда удаётся обеспечить и соблюсти. Из-за этого в сырую погоду и в помещениях с повышенной влажностью сухой способ торкретирования не применим. Во вторых, в сопле сухая смесь не успевает увлажниться полностью. С одной стороны, это ведёт к потерям смеси на распыл и отскок от 10 до 50%, а с другой – к быстрому запылению рабочего места опасной для здоровья сухой пылью вплоть до полной потери видимости. И последнее по счёту, но не по значению: необходимость постоянно следить не только за укладкой, но и за влажностью наносимого раствора, которая меняется и от влажности сжатого воздуха, и от влажности сухой смеси, и которую надо учитывать подачей воды в сопло, повышает нагрузку на сопловщика и требования к его подготовке.


Мокрый способ торкретирования лишён всех перечисленных особенностей благодаря тому, что состав и качество торкрет-бетона задаётся не непосредственно перед нанесением на основание сопловщиком, а в самом начале при приготовлении мокрой смеси другими рабочими. При этом способе сопловщик следит лишь за укладкой торкрет-бетона. Видимость на рабочем месте существенно выше, а вредность работы существенно ниже, поскольку из факела выделяется не сухая пыль, а туман, легко удерживаемый обычным марлевым респиратором и оседающий быстрее, чем сухая пыль. При этом в отскок уходят лишь крупные частицы песка без цемента. И потери на отскок составляют от 5 до 10 %.


Наносится торкрет-бетон послойно слоями толщиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Толщина наносимого слоя зависит и от того, что создаётся.


При создании водозащитной рубашки толщины наносимых слоёв обычно не превышают 5 миллиметров, а при возведении подпорных стенок толщина одного слоя может быть 50 – 60, и даже 100 миллиметров. Однако при применении современных ускорителей твердения бетона толщина наносимого за один раз слоя неограниченна даже при нанесении бетона на потолок.


Послойное нанесение торкрет-бетона связано не только с тем, что без использования ускорителя твердения за один раз сложно, а иногда и просто невозможно нанести требуемую толщину бетона. При послойном нанесении более качественно решается главная задача торкретирования – уплотнение мелкозернистого бетона.
Цемент не входит в число тех четырёх природных материалов, которые расширяются при твердении. Эти материалы: вода, чугун, гипс и сера. При твердении цемент уменьшается в объёме, или как говорят строители, даёт усадку. Как раз поэтому бетон, приготовленный на цементе, при застывании растрескивается. Чтобы как-то упорядочить это растрескивание и не дать бетону рассыпаться, его усиливают стальными стержнями, называемыми итальянцами арматурой, т.е. буквально усилением. Армированный, т.е. усиленный железными, а точнее, стальными прутьями бетон и есть железобетон. К сожалению, арматура – не самое дешёвое решение трещиностойкости бетона. Да к тому же и недостаточно совершенное. Трещины ведь всё равно образуются. Да и арматура не только усиляет бетон, но и мешает его уплотнять.


При торкретировании каждый последующий слой торкрет-бетона наносится после того, как затвердел и, как у него водится, растрескался предыдущий. При нанесении следующего слоя образовавшиеся в предыдущем слое трещины забиваются свежим раствором. Новый же слой растрескивается в других местах, поэтому трещины двух соседних слоёв, как правило, не совпадают. Но даже если и совпадут, следующий слой свежего раствора заполнит и эти трещины. Благодаря этому уже трёх слоёв торкрет-бетона достаточно для того, чтобы получить водо- и воздухонепроницаемую бетонную рубашку. Или оболочку.


Оборудование


Для работы с сухими цементно-песчаными смесями Артуром Эйкли была изобретена цемент-пушка. Так она именуется в России. На самом деле изобретена была не пушка, стреляющая цементом, а револьвер системы Наган. И американское название у неё соответствующее: цемент-ган.


Как и у нагана, у цемент-гана основное – это вращающийся вокруг вертикальной оси зарядный барабан. Он состоит из шести полых цилиндров, нижние концы которых скользят по плоскому основанию, закрывающему цилиндры снизу. Сверху цилиндры открыты, и в них при вращении барабана засыпается сухая смесь из бункера, установленного над барабаном.


При вращении барабана каждый из цилиндров поочерёдно входит в разрыв штукатурного рукава, идущего от компрессора к соплу. При этом сухая смесь, находящаяся в цилиндре, выдувается сжатым воздухом от компрессора, распыляется и отправляется к соплу, где увлажняется и выбрасывается в нужное место.


При приготовлении сухой смеси в построечных условиях обычно применяются растворосмесители гравитационного действия. Для прокаливания песка применяются подогреваемые стальные жаровни. Для подачи воды в сопло используют герметически закрывающуюся цистерну, в которой с помощью сжатого воздуха от компрессора создаётся требуемое давление.


Установку для торкретирования, работающую на готовых (или мокрых) смесях, разработал советский инженер Н.С.Марчуков. В основе этой установки – диафрагмовый растворонасос серийного производства, предназначенный для перекачки штукатурных растворов. Н.С.Марчуков разработал приставку к этому насосу, превратив его в пульверизатор, т.е. распылитель для раствора.

Устройство обычного растворонасоса позволяет ему перекачивать только легкие и жидкие штукатурные растворы. Но для торкретирования нужны тяжелые жесткие растворы с осадкой конуса 5 – 8 сантиметров. Такие растворы обычные насосы перекачивать не в состоянии. Чтобы сделать обычные насосы пригодными для перекачки тяжёлых и жёстких растворов, Марчуков заменил клапанную коробку на свою приставку. Она состоит из вибросита, под которым находится конусообразный бункер для раствора. Бункер установлен на рабочую камеру, которая через резиновую диафрагму соединена с рабочей камерой насоса. С противоположной от насоса стороны рабочая камера приставки Марчукова соединена со смесительной камерой, к которой подведён шланг от компрессора и в которой происходит распыление раствора в струе сжатого воздуха. От смесительной камеры отходит штукатурный рукав длиной до 70 метров. Именно на таком наибольшем расстоянии от установки по горизонтали и можно торкретировать. По вертикали наибольшее расстояние от установки – 30 метров.


Помимо насоса с приставкой Марчукова в состав установки для торкретирования входит также растворосмеситель принудительного действия. Он устанавливается на особую раму с таким расчётом, чтобы выгружаемый из него раствор попадал непосредственно на вибросито.


Помимо этой простейшей установки для торкретирования Н.С.Марчуков на базе штукатурной станции разработал установку для подачи тяжелых жёстких растворов УПТЖР – 2,5. Эта установка представляет собой вагончик, внутри которого установлен диафрагмовый растворонасос с приставкой Марчукова, но без растворосмесителя. Вместо него в задней части вагончика находится приёмный бункер, в котором вращается перемешивающее и подающее колесо с лопастями для перемешивания и ковшиками для подачи раствора на вибросито. Эта установка может работать как с готовыми (товарными) бетонными смесями, поставляемыми централизованно, так и с приготовляемыми непосредственно в ней. Работать с такой установкой проще и удобней, но для её перемещения требуются подъемный кран и бортовой автомобиль грузоподъёмностью не менее 5 тонн. В простейшем варианте установка разбирается и грузится на «Газель» вручную.


Сравнение оборудования для обоих способов торкретирования показывает, что ни в стоимости, ни в сложности особой разницы здесь нет. Разница, притом существенная, замечается при производстве работ. Об этом уже было сказано выше. Тем не менее, оба способа торкретирования пока в силе. Правда, в некоторых странах Западной Европы более широко применяется сухой способ торкретирования. Связано это и с традицией, и с отсутствием хорошего оборудования для мокрого торкретирования. В России, как уже было сказано, мокрый способ практически неизвестен несмотря на то, что у нас - лучшее в мире оборудование собственного производства.


Формообразование


Благодаря тому, что основное орудие для укладки бетона при торкретировании – воздух, а воздух формы не имеет, формообразующие возможности этого метода строительства кажутся неограниченными. Но ограничения есть. И они определяются не только волей и способностями зодчего, но и уже упоминавшимися особенностями торкретирования, и свойствами торкрет-бетона, и естественными законами.
Благодаря послойному нанесению торкрет-бетона появляется возможность возводить тонкостенные конструкции. Но достаточно прочны и устойчивы лишь определённые тонкостенные конструкции, - так называемые оболочки. А в силу того, что торкрет-бетон – это прежде всего бетон, а бетон значительно лучше работает на сжатие, чем на растяжение, то в этих конструкциях он используется наилучшим образом. Таким образом, в зданиях из торкрет-бетона основная конструктивная система – не стоечно-балочная, как во всех прочих, и даже не сводчатая или арочная, как в особых, а оболочечная.


С первого взгляда может показаться, что такая конструктивная система пригодна лишь для ограниченного круга зданий и сооружений. В основном для павильонов, залов, ангаров, складов, тоннелей, шахт, резервуаров и т.п. Однако изучение опыта проектирования и строительства, а также научные исследования и разработки, проведённые автором, показывают, что область применения тонкостенных оболочечных конструкций из торкрет-бетона естественных ограничений не имеет. Но есть искусственные. И прежде всего это неосведомлённость и необразованность как проектировщиков и подрядчиков, так и заказчиков с потребителями.


Оболочка – это особая конструкция. Исходная форма оболочки - поверхность шара. В свою очередь шар – это не только совершенное тело, но и исходное. Все прочие тела, и все прочие формы – это производные от шара. Так именуемые тела Платона, т.е. цилиндр, конус, куб и тор – это видоизменения шара. Сложные тела – это сочетания, сложения шаров и их искажения.


До сих пор ни в строительных, ни тем более в прочих науках не учитывалось то обстоятельство, что всё наблюдаемое многообразие форм делится на два рода. Во-первых, на естественные, и во вторых – на искусственные. Казалось бы, зачем строителю естественные формы, если он имеет дело лишь с искусственными? Однако уже простые наблюдения говорят о том, что естественные формы – наиболее целесообразны. Расчёты же показывают, что чем ближе искусственные формы к естественным, тем они более совершенны.


Закономерность, по которой сочетаются шары, была замечена и выявлена немецким архитектором Фраем Отто в мыльной пене. По своей сути она представляет собой так называемую сверхплотную упаковку шаров. Фрай Отто заметил, что в мыльной пене все углы стыковок равны 120 градусам. Причём если стыкуются одинаковые пузырьки, то образуются соты наподобие пчелиных. А при стыковке разных пузырьков возникают самые разные формы. Таким образом, на примере мыльной пены хорошо видно, что шар – это исходная или первичная форма, а все прочие – производные от шара и потому вторичные.


Математики полагают, что исходной формой является точка. При движении точки образуется линия. При движении линии возникает поверхность, а при движении поверхности возникает объем. На самом же деле при движении точки никакая линия не возникает. И при движении линии не возникает никакая поверхность. На самом деле когда точка движется, она растёт, и в конце концов превращается в автомобиль. Или в человека. Всё зависит от того, движение чего мы наблюдаем. И хотя сначала мы видим точку, а потом автомобиль или человека, на самом деле сначала был этот автомобиль или этот человек, а потом они стали выглядеть как точки, потому что удалились. Таким образом, точка – не исходная составляющая формы, а конечная, хотя наблюдателю кажется всё как раз наоборот.


В мыльной пене наглядно представлены все ступени образования форм и их составляющих из шаров. Различные объёмные формы образуются путём деформации пузырей. Поверхности образуются сочетанием двух пузырей. Для образования линии уже необходимо состыковать три пузыря. А для образования точки нужно аж четыре пузыря. Таким образом, точка – это самая сложная часть формы. И самая последняя. В том числе и поэтому именно она стоит в конце предложения. Что же касается пузырей, то хотя они и искусственные, сочетаются они строго по Закону естественного развития, тем самым всем своим видом показывая, что искусство не только может, но и должно быть закономерным. Правда, для этого надо перестроить не только политику и экономику, но и науку, и образование.


Преимущества предлагаемого метода


Преимущество монолитного домостроения перед крупнопанельным состоит в отсутствии завода КПД. Для монолитного домостроения нужен РБУ, комплект опалубки, бетононасос, башенный кран и бетоновозы. Предлагаемый метод безопалубочного монолитного домостроения позволяет обойтись и без этого, т.е. не только без опалубки, но и без РБУ, бетононасоса, башенного крана и бетоновозов. При этом методе существенно ниже и расход материалов. Однако это снижение достигается лишь при возведении зданий по проектам, выполненным специально под эту технологию. При возведении зданий по обычным проектам преимущества предлагаемого метода теряются.


Отсутствие опалубки означает, что форма здания не зависит от опалубки. Но это не значит, что она должна быть произвольной. Она должна быть разумной. То есть она должна быть построена по естественным законам согласно пожеланиям заказчика и заданию на проектирование.


В основе естественного формообразования – сфера и тор. Их сочетание в структуры, построенные по тем же законам, что и пчелиные соты, а также пузыри мыльной пены, является оптимальным и с точки зрения отношения ограждаемого объёма к площади ограждаемых конструкций, и с точки зрения несущей способности и устойчивости, и с точки зрения материалоёмкости этих конструктивных систем. На сегодняшний день в строительстве нет более совершенных, т.е. более прочных, устойчивых и экономичных конструктивных систем. Всё это позволяет проектировать и строить здания и сооружения самого различного назначения в самые короткие сроки и самых различных размеров и форм при наименьших затратах материалов и рабочей силы, а, следовательно, и денежных средств.


Бетон хорошо работает на сжатие, и плохо – на растяжение, поэтому из него наиболее целесообразны сводчатые конструкции. Однако изготовление криволинейных опалубок для этих конструкций трудоёмко и материалоёмко. Надувные опалубки удобней, но для них требуется особый изготовитель, поэтому они дорогие, а кроме того, у них есть обыкновение падать ещё до того, как поддерживаемый ими бетон наберёт необходимую прочность.


В настоящее время применяются действенные и недорогие ускорители твердения бетона, которые позволяют особо не опасаться обрушения оболочки. Но тогда на первое место выходит ещё одна особенность надувной опалубки – её способность создавать лишь тождественные оболочки.


Все эти вопросы сами собой отпадают при безопалубочном методе возведения монолитных конструкций. В этом методе существует несколько способов возведения, но наиболее выгоден тот, при котором форма бетонной конструкции задаётся арматурой, без которой бетон не бывает. Способ задания формы арматурой - «ноу-хау» автора. Также «ноу-хау» и способ проектирования зданий и сооружений, возводимых из монолитного бетона без опалубки.


Расход материалов


Основной строительный материал – мелкозернистый бетон. Его расход – около 0,5 куб.м на квадратный метр общей площади жилого дома. В состав бетона входит крупнозернистый песок с модулем крупности 1,5 – 2,1 и цемент марки 400 (500). Расход цемента – не менее 600 килограммов на метр кубический бетона. Армирование осуществляется несущей арматурой класса А-I диаметром 10 мм и распределительной арматурой класса Bр-IV диаметром 5 мм. Расход арматуры – 60 – 100 килограммов на метр кубический бетона.


Утеплитель – пенополистирол или пенополиуретан. Возможны также другие эффективные утеплители. Толщина утеплителя – по расчёту. Для Москвы толщина пенополистирола составляет 120 мм. Толщина пенополиуретана – около 50 мм. Чем меньше толщина утеплителя, тем изящней конструкция.


Несущие перегородки и стены выполняются из бетона, прочие – из любых других материалов.


Наружные поверхности могут затираться, отделываться под шубу, рваный камень, расшивку и прочие виды пластики как обычные оштукатуриваемые поверхности, а также облицовываться и окрашиваться фасадными красками. Внутренние поверхности тоже могут облицовываться плиткой, камнем, деревом и окрашиваться красками для внутренних работ.Оборудование для строительства


Оборудование для нанесения мелкозернистого бетона включает установку ПБН-50 или УПТЖР- 2,5 производства Машиностроительного завода в г. Скопине Рязанской области, штукатурные рукава с внутренним диаметром 50 мм и длиной 70 м, бетоносмеситель принудительного действия ёмкостью 150 – 250 л, и компрессор производительностью 5 – 10 куб. м воздуха в минуту.


Для арматурных работ применяются гильотинные и ручные ножницы для резки арматуры, станки для гнутья арматуры, в том числе станок для гнутья арматуры по большим радиусам (изобретение автора), сварочный аппарат для сварки арматуры.