многослойная стеновая конструкция (варианты)

Формула изобретения

1. Многослойная стеновая конструкция, состоящая из двух конструкционных слоев бетона и заключенного между ними слоя теплоизоляционного бетона, отличающаяся тем, что между слоями конструкционного и теплоизоляционного бетонов сформирован промежуточный слой бетона с модулем деформации, составляющим 0,5 - 1,5 среднего модуля деформации прилегающих конструкционного и теплоизоляционного слоев бетона, причем промежуточный слой бетона состоит из смеси бетонов конструкционного и теплоизоляционного слоев с общим содержанием теплоизоляционного бетона 20 - 80%, а толщина промежуточного слоя составляет 5 - 20% от толщины теплоизоляционного слоя.

2. Многослойная стеновая конструкция, состоящая из двух конструкционных слоев бетона и заключенного между ними слоя теплоизоляционного бетона, отличающаяся тем, что соединение теплоизоляционного и конструкционного слоев бетона конструкции выполнено в виде сложнопрофильной развитой поверхности, за счет которой на границе контакта слоев сформирован промежуточный слой бетона с модулем деформации, равным усредненному значению модулей деформации теплоизоляционного и конструкционного бетонов контактирующих слоев.

3. Многослойная стеновая конструкция по п.2, отличающаяся тем, что сложнопрофильная развитая поверхность выполнена в виде гофрированной поверхности с высотой волны гофр, составляющей 10 - 60% от толщины теплоизоляционного слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных изделий и конструкций повышенными теплотехническими характеристиками и может быть использовано для производства многослойных стеновых конструкций: стеновых панелей, стеновых блоков, фрагментов многослойной монолитной стены и т.д.

Известны конструкции трехслойных наружных панелей, состоящих из двух железобетонных слоев и заключенного между ними слоя утеплителя. В качестве утеплителя могут быть использованы полужесткие минераловатные, стекловолокнистые плиты, пенополистирол (1).

Недостатком данных панелей является слабое сцепление между слоями, исключающее их совместную работу, низкое конструктивное качество связки теплоизоляционного и железобетонных слоев.

Наиболее близкой является конструкция трехслойной панели, состоящей из двух железобетонных слоев и заключенного между ними теплоизоляционного слоя из полистиролбетона (2).

Недостатком данной панели является низкая прочность граничного сцепления между слоями панели, вызванная резким изменением свойств бетона на поверхности раздела между железобетоном и теплоизоляционным бетоном, не позволяющим обеспечить работу панели как единой строительной конструкции.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эксплуатационных и прочностных свойств стеновой конструкции за счет ее работы как единого строительного элемента.

Это достигается двумя вариантами выполнения многослойной стеновой конструкции.

В стеновой конструкции по варианту 1, состоящей из двух конструкционных слоев бетона и заключенного между ними слоя теплоизоляционного бетона, согласно предлагаемому решению между слоями конструкционного и теплоизоляционного бетонов сформирован промежуточный слой бетона, с модулем деформации, составляющим 0,5-1,5 среднего модуля деформации прилегающих конструкционного и теплоизоляционного слоев бетона, причем промежуточный слой бетона состоит из смеси бетонов конструкционного и теплоизоляционного слоев с общим содержанием теплоизоляционного бетона 20-80%, а толщина промежуточного слоя составляет 5-20% от толщины теплоизоляционного слоя.

В стеновой конструкции по варианту 2, состоящей из двух конструкционных и теплоизоляционного слоев бетона, согласно предлагаемому решению соединение теплоизоляционного и конструкционного слоев бетона конструкции выполнено в виде сложнопрофильной развитой поверхности, за счет которой на границе контакта слоев сформирован промежуточный слой бетона с модулем деформации, равным усредненному значению модулей деформации теплоизоляционного и конструкционного бетонов контактирующих слоев.

Кроме того, сложнопрофильная развитая поверхность стеновой панели по варианту 2 может быть выполнена в виде гофрированной поверхности с высотой волны гофр 10-60% толщины теплоизоляционного слоя.

Сопоставительный анализ стеновой конструкции по первому варианту с прототипом показывает, что заявляемая конструкция отличается наличием промежуточного слоя, сформированного из смеси бетонов конструкционного и теплоизоляционного слоев с общим содержанием теплоизоляционного бетона 20-80% и толщиной 5-20% толщины теплоизоляционного слоя. Кроме этого необходимым условием работы конструкции является обеспечение значения модуля деформации бетона промежуточного слоя, составляющего 0,5-1,5 среднего модуля деформации прилегающих конструкционного и теплоизоляционного слоев бетона. Таким образом, предложенная конструкция соответствует критерию новизна.

Из литературных источников аналогичного назначения не известно выполнение многослойных стеновых конструкций с промежуточным слоем, состоящим из смеси слоев, а так же как следствие из этого и остальных отличительных признаков.

Очевидно, что промежуточные слои, состоящие из смеси компонентов соединяемых слоев, должны иметь переходные физико-механические характеристики. Однако условие работы стеновой конструкции в максимальном приближении как единого конструкционного элемента может быть достигнуто не только при заданном соотношении компонентов 20-80%, но и при сочетании того, что модуль деформации промежуточного слоя должен быть 0,5-1,5 среднего значения модуля деформации прилегающих слоев, а толщина промежуточного слоя должна составлять 5-20% от толщины теплоизоляционного слоя.

Необходимость этого диктуется возможностью использования теплоизоляционных и конструкционных бетонов с сильно различающимися модулями деформации. В результате возникает необходимость уточнения модульных характеристик промежуточных слоев. А выбор толщины промежуточного слоя обусловлен получением оптимальных переходных значений теплофизических и физико-механических характеристик конструкции в целом.

Таким образом, влияние отличительных признаков на достижение оптимальных теплофизических и физико-механических характеристик конструкции в целом не является очевидным. Это позволяет сделать вывод о соответствии многослойной стеновой конструкции, заявляемой по 1 варианту критерию "изобретательский уровень".

Стеновая конструкция по 2 варианту отличается от прототипа тем, что соединение теплоизоляционного и конструкционного слоев бетона конструкции выполнено в виде сложнопрофильной развитой поверхности, за счет которой на границе контакта слоев сформирован промежуточный слой бетона с модулем деформации, равным усредненному значению модулей деформации теплоизоляционного и конструкционного бетонов контактирующих слоев.

Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию "новизна".

Широко известно выполнение соединений различных слоев материала по сложнопрофильной развитой поверхности, например, нанесение штукатурки по ранее выполненной насечке и др. , но в известных случаях обеспечивается только лучшее сцепление слоев. В предлагаемом изобретении кроме известных свойств обеспечивается создание новых свойств за счет появления промежуточного слоя на границе контакта теплоизоляционного и конструкционного бетонов со средним значением модуля деформации, обеспечивающих максимальное приближение характеристик работы всей конструкции как единого элемента.

Влияние предлагаемого соединения контактирующих слоев на повышение эксплуатационных и прочностных свойств стеновой конструкции выявлено впервые, что позволяет сделать вывод о соответствии конструкции критерию "изобретательский уровень".

В предлагаемом варианте стеновой конструкции сложнопрофильная развитая поверхность может быть выполнена в виде гофрированной поверхности любой геометрической формы. Эта форма выбирается произвольно исходя из технологических и технических возможностей производства. Однако достижение только гофрированной поверхности недостаточно, так как главным условием работы конструкции как единого элемента в максимальном приближении является сочетание двух факторов: наличие гофрированной поверхности между контактирующими слоями и соблюдение размеров высоты волны гофр, составляющей 10-60% приведенной толщины утеплителя. В этом случае без взаимного проникновения слоев возникает эффект промежуточного слоя за счет того, что в части стеновой конструкции, ограниченной с двух сторон верхними и нижними точками гофр, одновременно находятся элементы конструкционного и теплоизоляционного слоев. При этом физико-механические и теплофизические характеристики указанного интервала изменяются плавно без скачкообразного изменения значений в зависимости от доли конструкционного и теплоизоляционного материала в рассматриваемом сечении.

На фиг. 1 показан пример конструктивного выполнения стеновой конструкции по варианту 1, где: 1 - внутренний и 2 - наружный конструкционные слои, 3 - теплоизоляционный слой, 4 - промежуточный слой.

На фиг. 2 показан пример конструктивного выполнения стеновой конструкции по варианту 2, где: 1 - внутренний и 2 - наружный конструкционные слои, 3 -теплоизоляционный слой, 4 - промежуточный слой.

На фиг. 3 показан пример конструктивного выполнения стеновой конструкции с гофрированными поверхностями слоев, где: 1 - конструкционный слой, 2 - промежуточный слой, 3 - гофрированная поверхность контакта слоев.

Среди многих вариантов выполнения многослойных стеновых конструкций, например панели, стенового блока, многослойной монолитной стены и т.д., рассмотрим изготовление предлагаемой конструкции на примере стеновой панели.

Стеновую панель по 1 варианту изготавливают следующим образом.

Предварительно армированную панель формуют "лицом вниз или вверх". В качестве конструкционного слоя бетона взят, например, керамзитобетон с соответствующими данной категории бетона плотностью и модулем деформации. В качестве теплоизоляционного слоя взят, например, полистиролбетон с соответствующими данной категории бетона плотностью и модулем деформации. Авторами экспериментально установлено, что промежуточный слой бетона, состоящий из смеси прилегающих слоев кострукционного и теплоизоляционного бетонов должен иметь значение модуля деформации равным 0,5-1,5 среднего значения модулей деформации бетонов прилегающих слоев, а содержание теплоизоляционного бетона в составе бетона промежуточного слоя должно быть в пределах 20-80%. Исходя из этого условия, производим подбор состава бетона промежуточного слоя. В нашем примере прилегающий конструкционный слой - керамзитобетон с модулем деформации Е₁ = 11,5 10³ МПА, прилегающий теплоизоляционный слой - полистиролбетон с модулем деформации E₂=1,510³ МПА, промежуточный слой по условию должен состоять из смеси этих бетонов и иметь модуль деформации E_п= (0,5-1,5) (E₁+E₂)/2. Из условия очевидно, что оптимальным вариантом состава бетона промежуточного слоя может быть 50% смесь бетонов (или составляющих их компонентов), поэтому в лабораторных условиях готовим, например, три (можно больше) опытных состава бетона промежуточного слоя с нижеследующими соотношениями конструкционного и теплоизоляционного бетонов (или компонентов, их составляющих) на единицу объема: 1) 50 х50%; 2) 70x30%; 3) 30х70%. Из этих составов по известным методикам и требованиям нормативной документации готовим опытные образцы бетона для определения физико - механических и теплофизических характеристик данных составов бетона, в том числе значения модулей деформации и коэффициентов теплопроводности. Состав бетона опытного образца с характеристиками, близкими или соответствующими нашим условиям, принимаем за основу. Теперь, зная высоту применяемой для изготовления панели опалубки, соответствующей общей толщине многослойной конструкции (в нашем примере равной 350 мм), определенные по известным методикам и требованиям СНиП толщины конструкционных слоев (в нашем примере 150 и 50 мм), определяем общую толщину, приходящуюся на теплоизоляционный и промежуточные слои методом простого вычитания (350-50-150 = 150 мм). Авторами экспериментально было установлено, что толщина промежуточного слоя в таких многослойных конструкциях должна составлять 5-20% от толщины теплоизоляционного слоя. При толщине промежуточного слоя менее 5% эффект уменьшения градиента напряжений, возникающих между теплоизоляционным и конструкционным слоями бетонов, не проявляется в достаточной степени, а при толщине более 20% существенно ухудшаются или конструкционные или теплофизические свойства конструкции. Для определения толщины промежуточных слоев берем среднее значение условия, например 10% от общей толщины теплоизоляционного и промежуточных слоев (10% от 150 мм = 15 мм), округляем до четного значения и делим на два, получаем толщину промежуточных слоев (16/2 = по 8 мм, или 14/2 = по 7 мм) и толщину теплоизоляционного слоя (150 - 16(14) = 134(136) мм). Зная физико-механические характеристики бетонов каждого слоя и нормативные требования к термосопротивлению стеновой конструкции для данного региона, производим уточнение в правильности выбранных толщин конструкции и при необходимости производим уточнение или корректировку параметров конструкции в пределах диапазона поставленных условий. Определив составы бетонов каждого слоя и их толщину, известным способом готовят, укладывают и уплотняют слой конструкционного бетона 1 или 2, затем готовят, укладывают и уплотняют промежуточный слой из смеси конструкционного и теплоизоляционного бетонов 4. После этого укладывают теплоизоляционный слой бетона 3, снова укладывают промежуточный слой из смеси конструкционного и теплоизоляционного бетонов 4 и последним укладывают слой конструкционного бетона 1 или 2. Дальнейшая обработка панели (заглаживание, офактуривание поверхности, твердение, распалубка и т. д.) осуществляются по известным технологиям.

Стеновую панель по второму варианту изготавливают следующим образом. Предварительно армированную панель с конструкционными и теплоизоляционным слоями по варианту 1 формуют "лицом вниз или вверх". Зная общую толщину стеновой конструкции (панель толщиной 350 мм), определенные известными способами физико-механические и теплотехнические свойства бетонов этих слоев и их толщиныЮ определяем известным способом объемы бетонов каждого слоя в уплотненном состоянии для данной панели. Это необходимо для дальнейшей порционной укладки бетона каждого слоя на определенную толщину. Известными способами укладываем слой конструкционного бетона (в нашем примере керамзитобетон) и, не уплотняя, при помощи ручных механических средств, например рыхлителей, профильных скребков, создаем развитую многопрофильную поверхность этого слоя. На подготовленную таким образом поверхность конструкционного бетона укладываем слой теплоизоляционного бетона (в нашем примере полистиролбетон). Не уплотняя теплоизоляционный бетон, описанным выше способом создаем многопрофильную развитую поверхность этого слоя бетона. На подготовленную таким образом поверхность теплоизоляционного слоя бетона укладываем второй слой конструкционного бетона, выравниваем поверхность этого слоя и производим общее уплотнение бетона всех слоев известным способом, например, с помощью виброплощадки. В процессе уплотнения за счет взаимного проникновения слоев на развитой сложнопрофильной граничной поверхности контакта конструкционного и теплоизоляционного слоев образуется промежуточный слой 4 с переходными значениями плотности и модулей деформации.

В результате создания промежуточного слоя стеновая панель приобретает свойства ее работы в максимальном приближении как единого конструктивного элемента.

Конструкция по третьему пункту формулы изобретения может быть применена для многослойных стеновых конструкций, например блоков, как предусматривающих, так и не предусматривающих смешение бетонов конструкционного и теплоизоляционного слоев, например керамзитобетона и ячеистого бетона в процессе изготовления (многослойная конструкци может в простейшем варианте содержать один конструкционный и один теплоизоляционный слой или любое необходимое количество слоев).

Рассмотрим процесс изготовления предлагаемой стеновой конструкции на примере двухслойных стеновых блоков с внутренним (по расположению в общей конструкции здания или сооружения из предлагаемых блоков) конструкционным слоем, например из тяжелого бетона толщиной 160 мм и наружным (теплоизоляционным) слоем, например из неавтоклавного пенобетона толщиной 250 мм. Изделие формуется в металлической опалубке "лицом вниз"(пенобетоном) с предварительно установленными монтажными петлями. Для образования гофрированной поверхности в нашем случае применен, например, специальный пуансон в виде параллельных реек, расположенных на расстоянии друг от друга, например, равном их ширине параллельно продольной грани блока (направление расположения профилеобразующих реек выбирается в зависимости от условий будущего расположения блока в общем стеновом конструктиве сооружения). Для удобства распалубки рейки могут иметь технологические уклоны до 10-15%. Авторами экспериментально установлено, что при высоте волны гофр менее 10% от приведенной толщины утепляющего слоя физико-механические свойства сцепления слоев переходят к скачкообразным характеристикам, а при высоте более 60% появляются сложности в технологии их создания.

Пуансон устанавливается с таким расчетом, чтобы пенобетонная смесь заполнила форму до верхней грани реек. Лишний бетон удаляется механическим путем. После набора необходимой прочности (не менее 0,8-1,0 МПА) пуансоны удаляются и производят укладку слоя тяжелого бетона. При этом при необходимости допускается уплотнение тяжелого бетона на виброплощадке, с условием, что это не нарушит созданную пуансоном гофрированную поверхность.

Таким образом, предлагаемая согласно изобретению стеновая панель может быть изготовлена с помощью известных средств известными способами, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Предлагаемая многослойная стеновая конструкция приобретает повышенные эксплуатационные и прочностные свойства конструкции как единого элемента. Кроме того, создание дополнительных слоев переходной плотности способствует повышению конструктивной прочности многослойной стеновой конструкции, уменьшению перепадов температур при переходе от железобетонного к теплоизоляционному слою при ее эксплуатации, более равномерному распределению влаги, выделяющейся в точке "росы" (особенно при суточных колебаниях температуры), а также повышению эксплуатационных свойств, связанных с транспортировкой, монтажом, хранением стеновой конструкции за счет обеспечения более жестких, равномерно переходящих связей между слоями, позволяющих избежать резких перепадов их значений при переходе от слоя к слою с разными характеристиками, особенно при восприятии резких динамических нагрузок.

Источники информации:

1.Нациевский Ю.Д., Хоменко В.П., Заюнчковский Б.Ф. Эффективные строительные материалы. К.: Будiвельник, 1980. - 264 с.

2.Чиненков Ю.В., Король Е.А. Трехслойные панели ленточной разрезки с утеплителем из полистиролбетона //Бетон и железобетон. 1997. - N 4. - с. 2-5.