автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Технология возведения многослойных наружных стен с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технологии возведения современных гражданских монолитных зданий во многом определяются объемно-планировочными и конструктивно-технологическими решениями, а также особенностями технологических процессов возведения ограждающих конструкций. Распространенные в практике современного строительства технологии возведения ограждающих конструкций, как правило, отличаются повышенной трудоемкостью, продолжительностью, предусматривают применение преимущественно ручного труда, что в совокупности приводит к увеличению сроков строительства и окупаемости инвестиций.

Одной из распространенных конструктивных схем многоэтажных монолитных многосекционных гражданских зданий является конструктивная схема с несущими монолитными поперечными стенами, в том числе наружными стенами без проемов. Устройство теплоизоляционного и наружного отделочного слоев таких стен осуществляется на последующих этапах строительства после возведения несущей части стены. Для обеспечения требуемого термического сопротивления наружных монолитных глухих стен применяют различные технологии, среди которых наиболее распространенными являются навесные системы с отделкой тонкими штукатурными слоями и теплоизоляцией из плит минеральной ваты и системы с вентилируемым воздушным зазором.

Важной особенностью возведения многослойных стен, как по технологии вентилируемого, так и «мокрого» фасада, является производство работ в два основных этапа со значительным перерывом во времени. Сначала осуществляется возведение несущей монолитной стены с последующим ее выдерживанием до набора необходимой прочности, затем устройство системы теплоизоляции и отделки фасада. При этом для проведения второго этапа работ требуются дополнительные специализированные бригады, возникают дополнительные работы по обеспечению защиты теплоизоляционных и других, требовательных к погодным условиям материалов, фасада, установке лесов, подмостей и подъемных механизмов.

Альтернативная технология возведения в едином технологическом цикле монолитных многослойных наружных стен с использованием конструкционных бетонов, выполняющих несущие функции, и бетонов низкой плотности, выполняющих теплоизоляционные функции, позволяет повысить долговечность конструкции за счет применения в теплоизоляционном слое бетона низкой теплопроводности, имеющего срок службы, сопоставимый с конструкционным бетоном. Кроме того, очевидные преимущества разработанной технологии в сравнении с аналогами обеспечиваются за счет снижения продолжительности и трудоемкости возведения конструкционного и теплоизоляционного слоев наружной стены в составе одного вида работ - бетонные работы.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- на основании проведенного сравнительного анализа современных технологий возведения многослойных ограждающих конструкций определены основные технологические параметры, существенно снижающие их технологичность: наличие технологических перерывов в устройстве отдельных слоев ограждающей конструкции, необходимость в привлечении дополнительных специализированных бригад, высокая трудоемкость изготовления, необходимость в дополнительных вспомогательных технологических процессах;

- на основании исследования физико-механических характеристик многослойной монолитной ограждающей конструкции, а также контактной зоны слоев, были установлены рекомендуемые параметры бетонов, в том числе для обеспечения совместной работы слоев конструкции с учетом климатических воздействий;

- организационно-технологические модели возведения наружных стен, отражающие снижение трудоемкости, продолжительности, стоимости работ по устройству наружных многослойных монолитных стен с использованием теплоизоляционных бетонов по сравнению с аналогами;

- технологические параметры изготовление опытных образцов элементов монолитных многослойных стен при последовательной укладке в вертикальные конструкции бетонов с различными физико-механическими характеристиками;

-параметры основных технологических процессов,

регламентированные результатами экспериментальных и численных исследований монолитных многослойных ограждающих конструкций с внутренним слоем из конструкционного бетона, средним слоем из легкого бетона низкой теплопроводности и наружным слоем из несъемной фибробетонной опалубки.

Практическая значимость работы:

разработана технология возведения многослойных наружных стен монолитных зданий для альтернативного конструктивно-технологического решения, предусматривающего возведение несущего и теплоизоляционного слоев из легкого бетона низкой теплопроводности в едином технологическом цикле.

определены области рационального применения разработанной технологии - преимущественно торцевые несущие наружные стены монолитных гражданских зданий без проемов.

разработаны рекомендации по возведению монолитных многослойных наружных стен с применением в теплоизоляционном слое бетонов низкой теплопроводности.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена применением общепринятых гипотез и методик расчета, стандартных методик испытаний, сертифицированных испытательных приборов и лабораторного оборудования, соотнесением полученных экспериментальных

и теоретических данных, с работами других авторов, выполняющих исследования в данной области.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на XIII Международной межвузовской научно-практический конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» в г.Москве, 2010 г; на XX Российско-Польско-Словацком семинаре "Теоретические основы строительства" в г. Жилина. 2011 г; на Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании» в г. Москве, МГСУ, 2013 г.

Новизна исследования подтверждается двумя патентами РФ: № Я и 2430833 «Способ изготовления многослойных строительных изделий» и № 1Ш 2434742 «Способ изготовления элементов многослойных ограждающих конструкций».

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников, состоящего из 105 наименований. Содержание работы изложено на 132 страницах печатного текста, включая 48 иллюстраций, 22 таблицы, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенного исследования, обозначены цель и задачи диссертационной работы, описана степень разработанности проблемы, методика, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ современных технологий возведения наружных несущих глухих стен зданий в монолитном домостроении. Определены организационно-технологические особенности возведения данного типа ограждающих конструкций.

Анализ основных конструктивных типов гражданских монолитных зданий показал, что для бескаркасных зданий и зданий с неполным каркасом, имеющих наружные несущие стены, в сравнении с каркасными зданиями затруднены работы по устройству вертикальных ограждающих конструкций, что снижает технологичность возведения здания в целом. Выявлена необходимость в исследовании основных конструктивно-технологических решений наружных монолитных стен для определения путей повышения технологичности их возведения.

В ходе анализа наиболее распространенных решений по устройству фасадов монолитных зданий, таких как навесные фасадные системы с отделкой тонкими штукатурными слоями, навесные фасадные системы с вентилируемым воздушным зазором, наружные стены с облицовкой кирпичом, стены, возводимые в несъемной опалубке были выявлены основные организационно-технологические особенности производства работ, определяющие пути снижения трудоемкости их возведения.

Для «мокрого» и «вентилируемого» фасадов характерны повышенные требования к квалификации исполнителей, качеству подготовки бетонного основания, выполнению специфических для каждой системы требований технических условий. Для наружной стены, возводимой по технологии несъемной опалубки из пенополистирола ввиду горючести материала необходимо обеспечить выполнение требований по устройству противопожарных рассечек, защите поверхности пенополистирола. Также применение данной технологии осложняет производство арматурных и бетонных работ. Основной отличительной организационно-технологической особенностью для «мокрого», «вентилируемого» фасадов и стен с облицовкой кирпичом являются производство работ по возведению стены в два этапа. На первом этапе происходит возведение несущей монолитной стены вместе с другими вертикальными монолитными конструкциями этажа. Второй этап представляет собой фасадные работы - устройство теплоизоляционного и облицовочного слоев стены. При этом возникает необходимость в установке лесов, обеспечении защиты фронта работ от атмосферных воздействий, привлечении дополнительных

специализированных исполнителей.

Проведенный обзор существующих технологии возведения ограждающих конструкций, использующих в качестве теплоизоляции бетоны низкой теплопроводности, а также технологий возведения монолитных конструкций в несъемной бетонной опалубке-облицовке позволяет сделать вывод о возможности повышения технологичности возведения наружных многослойных несущих стен в монолитном домостроении за счет упразднения фасадных работ и возведения многослойной монолитной наружной стены в едином технологическом цикле, вместе с вертикальными железобетонными конструкциями этажа.

Во второй главе проведены численные и экспериментальные исследования параметров технологических процессов возведения многослойных монолитных наружных стен с теплоизоляционным слоем из низкотеплопроводных бетонов.

Одним из преимуществ разработанной технологии является возможность гибкого изменения толщины теплоизоляционного слоя в зависимости от назначения здания, климатических условий региона строительства и др. Толщина теплоизоляционного слоя определяется теплотехническим расчетом и может быть принята с точностью до 1 см, что легко обеспечивается при установке опалубки, в отличие от плит теплоизоляции из минеральной ваты и пенополистирола, выпускаемых фиксированной толщиной. При этом трудоемкость и продолжительность как отдельных работ, так и комплексных технологических процессов возведения стены в целом изменяется незначительно.

Для определения толщин слоев конструкции, соответствующей наибольшей трудоемкости изготовления, был проведен расчет трудоемкостей возведения для стен с толщинами слоев в диапазоне 0,15-0,35 м для несущего

слоя и 0,2-0,4 м для теплоизоляционного слоя на основании данных действующих нормативно-технических документов.

График изменения трудоемкости устройства конструкции в зависимости от толщин слоев представлен на рис. 1.

0,2 толщина

трудоемкость 0,25

, , 0 3 теплоизоляции, м

1м-, чел.ч 9 35

, • .... " 0,4

1,90 - .

»1,85-1,90

1>85 /' ' »1,80-1,85

1.80 - я 1,75-1,80

1 75 - ""* ' 8 1,70-1,75

1.70

0,35 толщина несущего

0,25

' от слоя, м

0,15

Рис. 1. Зависимость расчетной трудоемкости возведения наружной стены с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности при различных толщинах несущего и теплоизоляционного слоев

Как видно из графика на рис. 1, максимальная трудоемкость соответствует конструкции с толщиной несущего слоя 0,3 м и толщиной теплоизоляционного слоя в промежутке между 0,3 и 0,35 м. При увеличении толщины теплоизоляционного до 0,3-0,35 м происходит повышение трудоемкости возведения стены за счет увеличения объема укладываемой бетонной смеси, а при дальнейшем увеличении толщины теплоизоляционного слоя происходит снижение трудоемкости, несмотря на увеличение объема бетонной смеси, за счет повышения массивности конструкции, что приводит к снижению трудозатрат на укладку и уплотнение бетона.

Для определения рациональных геометрических и физико-механических параметров несъемной фибробетонной опалубки-облицовки были произведены расчеты плит опалубки на нагрузки от уплотнения полистиролбетонной смеси. Расчеты производились на основании следующих исходных данных:

для изготовления фибробетонных панелей применяется мелкозернистый бетон класса В40;

- в качестве дисперсного армирования используется шелочестойкое стекловолокно с нормативным сопротивлением растяжению ЯЛ/)Г= 11 ООМПа. Длина волокон фибры составляет 40 мм, процент содержания фибры по объему в бетоне - 2,8%;

- плотность укладываемой в опалубку полистиролбетонной смеси варьируется в пределах от 100 до 600 кг/м3 с шагом 100кг/м3. Согласно

0,010

100

200

300

400

500

600

■ Н=2,5м

А Н=3м

X Н=3,5м

* Н=4м

■ — h(min)

р, кг/м"

Рис. 3. Зависимость толщины плит несъемной фибробетонной опалубки b от плотности укладываемой бетонной смеси р при высоте плит Н, для шарнирно закрепленной по концам и посередине опалубки. Минимально допустимые значения толщины плит h(min), исходя из условия восприятия транспортных нагрузок

Проведенные расчеты показали, что закрепление щитов опалубки в 3 местах позволит снизить толщину щита в 2,1 раза в сравнении с закреплением в двух местах, однако при использовании расчетной схемы с закреплением в 3 точках по высоте необходимо учитывать возможность восприятия плитами опалубки нагрузок, возникающих при транспортировке.

Экспериментальные исследования в климатической камере элементов многослойной ограждающей конструкции с использованием в теплоизоляционном слое бетона низкой плотности проводились с целью установления характера изменения прочности слоев конструкции, подвергающихся попеременном замораживанию и оттаиванию.

Для проведения эксперимента были изготовлены 9 образцов толщиной 400 мм с наружными слоями толщиной 50 мм из керамзитобетона прочностью на сжатие 50 кг/см', 100 кг/см", 200 кг/см2, и средним слоем из полистиролбетона низкой прочности и теплопроводности толщиной 300 мм, прочностью на сжатие 5 кг/см2, 11 кг/см2, 14,5 кг/см2. Для обеспечения снятия данных о теплофизических процессах в конструкции во время испытаний, в толщу образцов закладывались датчики температуры и влажности Microchip ТС1047А и Honeywell HIH-4000-004. Шаг расположения для наружных четырех датчиков составлял 25 мм, для остальных — 50 мм. Провода от датчиков выводились из толщи конструкции и коммутировались для снятия показаний.

В процессе проведения эксперимента в климатической камере задавалось чередование стационарного и нестационарного тепловлажностного режимов различной продолжительности. Температура в стационарном режиме поддерживалась равной -28°С, в нестационарном изменялась от +70°С до -35°С (рис. 4). Также задавались различные режимы

увлажнения конструкции. На протяжении всего эксперимента производилось снятие данных с датчиков, на основании которых были определены теплотехнические характеристики конструкции.

Я || /I Л

г 1 Ч !

! ) |

1

1 м \

ч

I

'VI V

Рис. 4. График изменения температуры в сечении конструкции на расстоянии 25 мм от поверхности стены в первые 10 суток испытаний (стационарный и нестационарный

режимы)

После выдерживания 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания опытных образцов, не было выявлено разрушений наружного слоя конструкции, а также зоны контакта слоев. Из полученных по показаниям датчиков графиков (рис. 5) видно, что глубина промерзания конструкции при нестационарном режиме составляла 12 см. Таким образом, наружный слой, частично внутренний теплоизоляционный, и зона их контакта подвергались воздействиям попеременного замораживания и оттаивания в ходе испытаний.

"С

+ 30-;; — +20':• .

+ 10&:;.......

о 3 -10. : -20

-30 ^......

-40

Рис. 5. Распределение температур в толще конструкции в нестационарном режиме

(середина цикла)

Иь^Ы Й, %

Рнс. 9. Зависимость снижения относительной прочности контактной зоны слоев при климатических испытаниях (прочность наружного слоя на сжатие Кь.ех1=50 кг/см )

- при применении в наружном слое керамзитобетона прочностью на сжатие 50 кг/см" после 25 циклов испытаний интенсивность снижения прочности возрастает, график меняет характер на нелинейный (рис.3). Снижение прочности составляет до 34%. Увеличение интенсивности снижения прочности контактной зоны после 25 циклов испытаний говорит о чрезмерном накоплении остаточных деформаций под действием криогенных переходов в структуре бетона и деструкции материала. Причиной этого, вероятно, служит низкий класс применяемого бетона наружного слоя. При применении более прочных бетонов наружных слоев, повышения интенсивности снижения прочности не наблюдалось.

В третьей главе рассмотрены технологические и организационные особенности возведения монолитных многослойных наружных стен с теплоизоляционным слоем из бетонов низкой теплопроводности.

Разработанное конструктивно-технологическое решение такой стены определяется совместной работой трех бетонных слоев — наружного, выполняющего декоративную и защитную функцию, теплоизоляционного и внутреннего конструкционного слоя. Наружный слой имеет толщину не более 50 мм и выполняется из стеклофибробетона. Теплоизоляционный слой выполняется из полистиролбетона, плотность, теплопроводность и толщина слоя которого принимается согласно теплотехническому расчету для климатического района строительства. Характеристики внутреннего несущего слоя из конструкционного бетона соответствуют расчету по несущей способности по проекту строящегося здания.

Возведение многослойных монолитных стен включает в себя следующие основные работы: изготовление арматурного каркаса, установка опалубки (несъемной и инвентарной), укладка и уплотнение двух видов

По результатам сравнительного анализа установлено, что трудоемкость возведения наружной стены с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности в 1,63 раза меньше, чем для наружной стены с теплоизоляционным слоем из минеральной ваты и облицовкой из кирпича, в 3,04 раза меньше, чем для «мокрого» фасада и в 3,33 раза меньше, чем для «вентилируемого» фасада. Удельная трудоемкость опалубочных работ для монолитной наружной стены с использованием полистиролбетона в теплоизоляционном слое выше на 11%, арматурных - на 3%, бетонных - в 2,3 раза, чем для аналогов (рис. 12). Однако значительный вес в суммарной удельной трудоемкости возведения стен по технологии «вентилируемого фасада», «мокрого фасада» и стены с облицовкой кирпичом имеет возведение наружных слоев, включающее теплоизоляционные работы и работы по устройству облицовки, отсутствующие в технологии возведения многослойной монолитной наружной стены. Кроме того, данная технология не требует установки лесов по фасаду здания, что также позволяет снизить трудоемкость работ на 0,46 чел.-ч.

трудоемкость, чел.-ч.

шподача материалов Ш устройство облицовки Ш устройство теплоизоляции щ установка и снятие лесов Ш бетонные работы ш опалубочные работы Ш арматурные работы

Рис. 12. Сравнение трудоемкости возведения 1 м наружной стены: а) выполненной по технологии «вентилируемого фасада»; б) выполненной по технологии «мокрого фасада»; в) с минераловатной теплоизоляцией и облицовочным слоем из кирпичной кладки; г) монолитной с использованием полистиролбетона в теплоизоляционном слое

Расчет продолжительности возведения монолитных многослойных наружных стен и аналогов показал возможность снижения сроков возведения и количества исполнителей за счет сокращения числа работ и снижения трудоемкости (рис. 13).

захваток Дни/смены

1 1

1 2 3 1 2 3 1

1 \ \| \ \ \ \ \ N \

2 N \ \ \

1 п иг

____7 с.тен

г, чел д

10-------

захваток

1. 2. 3 1 2|3 12 3 1 2 3 12 3 1 2

Дни^мены

IV' V VI X ______17 смен

\

№№ захваток

3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1

Дни/смены

\

Рис. 13. Циклограммы производственных потоков и диаграммы трудовых ресурсов при

возведении торцевых наружных стен этажа монолитного здания, а) для монолитной многослойной наружной стены с применением полистролбетона в теплоизоляционном слое; б) для многослойной наружной стены с применением плитного утеплителя и облицовочным слоем из кирпича; в) для многослойной наружной стены с отделкой тонкими штукатурными слоями; г) для многослойной наружной стены с вентилируемым воздушным зазором. I - изготовление арматурного каркаса, II - установка опалубки; III -

укладка и уплотнение бетонной смеси; ИГ - укладка и уплотнение бетонных смесей конструкционного и теплоизоляционного слоев; IV - интенсификация и уход за бетоном; V - разборка щитов опалубки; VI - установка лесов; VII - крепление плит теплоизоляции;

VIII - кладка облицовочного слоя; IX - разборка лесов; X - креплешм плит теплоизоляции; XI - крепление щелочестойкой штукатурной сетки; XII - нанесение штукатурных слоев; XIII - окраска фасада; XIV - разборка лесов; XV - крепление плит теплоизоляции и ветрогидрозащитной мембраны; XVI - монтаж несущих элементов фасада; XVII - устройство облицовки фасада; XVIII - разборка лесов.

Расчет продолжительности возведения вертикальных несущих и наружных ограждающих конструкций односекционного монолитного здания с поперечно-стеновой конструктивной схемой и наружными стенами с плитной теплоизоляцией и облицовкой кирпичом в двух вариантах: с торцевыми стенами также облицованными кирпичом или выполненными с применением низкотеплопроводного бетона позволил определить влияние

Вал работ Ед. Объем работ кп-лей одолжит.. ч. С\тки/ч асы ) ""Г ~2 " ] ""3 ....."4 I -г—

Я 1 16 124 |32 140 148 1 56 |64 1 72 80 J 88 I 96 104] 12<>|128|136 144

Армирование всртикалькы\ Т 3,51 4 17,6 --- i i i i i i i i ------------

1-

Установка оиал> бкк 475,4 9 14.8

Бетонирование вертикальных М-' 59,3 6 15.S Г —4

Выд&ржнэпиис и > ход ja бетоном ~ Разборка онал> пки КЮм2 4,8 1 16 1 i i i ~~~ i i i i

436,2 6 8,П

£ Установка лесов по фасаду ^ 30.5 4 1,9 1 i i

i Сл.и к а внутреннего с тоя наружной ч,' 7.57 4 4,0 1 i i

Устройства тсплоичоляционнрго 72,7 6 5,3 ------ . —- i i , i i i i i i

Уетройоство облицовочного слоя ____наружнлй стены из кирпича__ Ра jCopxa л с со s 8,7 30,5 6 10,8 1

и

Армирование вертикальных • т 3.29 4 16,5 |- ~~ - i i i i i i i i " " — i i -----------

Установка опалубки 444.7 . 13,8

Бетонирование вертикальных 56,2 6 . 15,0 |

Выдерживание и у хол за бетоном ^ Раширка опалубки 1№W 4,5 405,5 16 i 1 i i i i i i

7.4

g Установка лесов по фасму „> 4Я.& 4 3.1 ; i i

Ыталка внутреннего слоя наружной стоны из бетонных блоков 10,7 7,0 ! i i i i i i i i i i i i 1 "

Устройство ТСПЛОИЧОЛИЦИОКИОГО 71,1 -V ;

УсТрОЙОСТЪО облицовочного слоя Разборка лесов . 8,5 10,5 t i i i

4S.H 1.»

86.6 часов у 35.7 часов ^.

122.3 часа

Рис. 15. Линейный график производства работ по возведению вертикальных монолитных конструкций этажа, а также конструкций фасада с применением технологии возведения монолитной многослойной наружной стены с теплоизоляционным слоем га нткотеплопроводного бетона для торцевых стен

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сравнительный анализ конструктивно-технологических решений возведения наружных ограждающих конструкций монолитных зданий выявил область рационального применения многослойных наружных стен с теплоизоляционным слоем их легких бетонов низкой теплопроводности применительно к конструктивному типу зданий с поперечными несущими стенами в части возведения торцевых стен без проемов.

2. Анализ состава и параметров технологических операций и простых процессов в составе альтернативных технологий возведения многослойных наружных стен выявил очевидные преимущества технологии возведения многослойных монолитных наружных стен с применением бетона низкой теплопроводности в теплоизоляционном слое: сокращение организационно-технологических этапов возведения наружных стен с устранением технологического перерыва между этапами (возведение несущей

определяет точность построения расчетных моделей разработанных конструкций и безопасную их эксплуатацию.

8. Установлено, что трудоемкость возведения наружных стен с теплоизоляционным слоем из легких бетонов низкой теплопроводности имеет ряд технологических преимуществ по сравнению с применяемыми в практике массового современного строительства: трудоемкость возведения 1м2 многослойной монолитной стены с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона в 1,63 раза меньше, чем для наружной стены с теплоизоляционным слоем из минеральной ваты и облицовкой из кирпича, в 3,04 раза меньше, чем для «мокрого фасада», и в 3,33 раза меньше, чем для вентилируемого фасада.

9. Разработанная технология возведения наружных стен с применением в качестве теплоизоляционного слоя низкотеплопроводных легких бетонов позволяет сократить расчетную продолжительность возведения фасада здания более, чем на 30%, а вертикальных конструкций в целом, более, чем на 10%.

10. Для практического использования строительными организациями разработаны рекомендации по возведению монолитных многослойных наружных стен с применением в теплоизоляционном слое бетонов низкой теплопроводности.

Основные результаты исследования опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Король Е. А., Харькин Ю. А., Быков Е. Н. Экспериментальные исследования влияния климатических воздействий на монолитную связь бетонных слоев различной прочности в многослойных конструкциях.//ВестникМГСУ.-2010,- №3.-с. 164-169.

2. Харькин Ю. А. О влиянии физико-механических характеристик бетонов на прочность сцепления слоев в многослойных конструкциях при климатических воздействиях // Вестник МГСУ. -2010.-№3,-с. 170-173.

3. Король Е. А.. Харькин Ю. А. Технологическая и организационная эффективность возведения многослойных наружных стен в монолитном строительстве // Строительство и реконструкция. — 2013,-№5.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

1. Экспериментальное исследование работы энергоэффекивной ограждающей конструкции с использованием легких бетонов // Сборник статей 13-ой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов,

аспирантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности". - М.: АСВ. - 2010. - с. 590-593.

2. Король Е.А., Харькин Ю.А. Совершенствование технологии возведения энергоэффективных ограждающих конструкций в монолитном строительстве // Сборник докладов XX Российско-Польско-Словацкого семинара "Теоретические основы строительства". - Жилина - 2011. - с. 401—406.

Патенты на изобретения РФ:

1. Способ изготовления многослойных строительных изделий. Король Е.А., Харькин Ю.А., Зенкин В.А., Пугач Е.М., Быков E.H. Патент №RU 2430833, 10.10.2011г.

2. Способ изготовления элементов многослойных ограждающих конструкций. Король Е.А., Харькин Ю.А., Зенкин В.А., Пугач Е.М., Быков E.H. № RU 2434742, 27.11.2011г.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объём: 1,5 п л._Тираж 100 экз._Заказ № 438.

Отпечатано в Типографии Издательства МИСИ-МГСУ. Тел.: 8 (499) 183-67-92, 8 (499) 183-91-44, 8 (499) 183-91-90 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201453245

На правах рукописи

ХАРЬКИН ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ НАРУЖНЫХ СТЕН С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ СЛОЕМ ИЗ БЕТОНА НИЗКОЙ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Специальность 05.23.08 - Технология и организация строительства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Король. Е.А.

с

Москва-2013

Содержание

Введение...............................................................................................................5

Глава 1. Современные технологии возведения многослойных наружных стен гражданских зданий в монолитном домостроении..........................................12

1.1 Основные конструктивные типы многоэтажных монолитных зданий и их влияние на выбор конструктивно-технологических решений ограждающих конструкций...........................................................................12

1.2 Анализ состава технологических процессов и операций основных конструктивно-технологических решений многослойных наружных стен 15

1.3 Опыт применения несъемной опалубки для возведения наружных стен в монолитном строительстве.........................................................................29

1.4 Сравнительный анализ технологических особенностей возведения многослойных наружных стен в монолитном домостроении.....................33

Выводы по главе 1..........................................................................................35

Глава 2. Исследования параметров технологических процессов возведения многослойных монолитных наружных стен с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности и их основных физико-технических характеристик.....................................................................................................37

2.1 Формирование состава работ и их влияние на трудоемкость возведения многослойной монолитной наружной стены................................................37

2.2 Исследование и выбор рациональных геометрических и физико-механических параметров несъемной опалубки..........................................40

2.2.1 Расчет плит несъемной опалубки на нагрузки от уплотнения бетонной смеси...........................................................................................40

2.2.2 Определение минимальной толщины плит опалубки, исходя из нагрузок, возникающих при транспортировке.........................................45

2.3 Экспериментальное исследование технологических параметров возведения монолитной многослойной ограждающей конструкции..........48

2.3.1 Изготовление экспериментальных образцов...................................48

2.3.2 Определение параметров технологических процессов изготовления образцов......................................................................................................53

2.4 Экспериментальные исследования прочности сцепления слоев многослойной монолитной наружной стены при воздействии попеременного замораживания и оттаивания..............................................55

2.4.1 Планирование эксперимента.............................................................55

2.4.2 Изготовление опытных образцов в лабораторных условиях, подготовка эксперимента...........................................................................59

2.4.3 Испытание образцов при климатических воздействиях.................64

2.4.4 Испытания контактной зоны слоев конструкции в ходе климатического воздействия.....................................................................68

2.4.5 Результаты исследований и их оценка в зависимости от физико-механических характеристик материалов.................................................71

Выводы по главе 2..........................................................................................78

Глава 3. Технологические и организационные особенности возведения монолитных многослойных наружных стен.....................................................81

3.1 Технология возведения многослойных монолитных наружных стен с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности...............81

3.2 Организация работ по возведению многослойных монолитных ограждающих конструкций..........................................................................87

Выводы по главе 3..........................................................................................89

Глава 4. Оценка технологичности возведения монолитных многослойных наружных стен....................................................................................................91

4.1 Технологичность ограждающих конструкций монолитных зданий.....91

4.2 Оценка трудоемкости и продолжительности производства работ........93

4.3 Организационно-технологические модели возведения вертикальных несущих и ограждающих конструкций этажа............................................102

4.4 Оценка стоимости производства работ.................................................107

Выводы по главе 4........................................................................................114

Основные выводы по работе...........................................................................115

Литература........................................................................................................117

Приложение 1...................................................................................................127

Введение

Технологии возведения современных гражданских монолитных зданий во многом определяются объемно-планировочными и конструктивно-технологическими решениями, а также особенностями технологических процессов возведения ограждающих конструкций. Распространенные в практике современного строительства технологии возведения ограждающих конструкций, как правило, отличаются повышенной трудоемкостью, продолжительностью, предусматривают применение преимущественно ручного труда, что в совокупности приводит к увеличению сроков строительства и окупаемости инвестиций.

Одной из распространенных конструктивных схем многоэтажных монолитных многосекционных гражданских зданий является конструктивная схема с несущими монолитными поперечными стенами, в том числе наружными стенами без проемов. Устройство теплоизоляционного и наружного отделочного слоев таких стен осуществляется на последующих этапах строительства после возведения несущей части стены. Для обеспечения требуемого термического сопротивления наружных монолитных глухих стен применяют различные технологии, среди которых наиболее распространенными являются навесные системы с отделкой тонкими штукатурными слоями и теплоизоляцией из плит минеральной ваты и системы с вентилируемым воздушным зазором.

Важной особенностью возведения многослойных стен, как по технологии вентилируемого, так и «мокрого» фасада, является производство работ в два основных этапа со значительным перерывом во времени. Сначала осуществляется возведение несущей монолитной стены с последующим ее выдерживанием до набора необходимой прочности, затем устройство системы теплоизоляции и отделки фасада. При этом для проведения второго этапа работ требуются дополнительные специализированные бригады,

возникают дополнительные работы по обеспечению защиты теплоизоляционных и других, требовательных к погодным условиям материалов, фасада, установке лесов, подмостей и подъемных механизмов.

Альтернативная технология возведения в едином технологическом цикле монолитных многослойных наружных стен с использованием конструкционных бетонов, выполняющих несущие функции, и бетонов низкой плотности, выполняющих теплоизоляционные функции, позволяет повысить долговечность конструкции за счет применения в теплоизоляционном слое бетона низкой теплопроводности, имеющего срок службы, сопоставимый с конструкционным бетоном. Кроме того, очевидные преимущества разработанной технологии в сравнении с аналогами обеспечиваются за счет снижения продолжительности и трудоемкости возведения конструкционного и теплоизоляционного слоев наружной стены в составе одного вида работ — бетонные работы.

Одной из рациональных областей применения данной технологии могут являться наружные поперечные несущие стены в многоэтажных монолитных многосекционных жилых зданиях.

В настоящее время большинство проведенных исследований многослойных конструкций из бетонов различной прочности относится к построению расчетных моделей, методов расчета, в том числе с учетом особенностей напряженно-деформированного состояния контактной зоны слоев, а также особенностям физико-механических характеристик низкотеплопроводных легких бетонов для использования их в качестве теплоизоляционного слоя многослойных ограждающих конструкций. Среди наиболее известных фундаментальных и прикладных трудов в этой области следует отметить работы Бондаренко В.М., Карпенко Н.И., Колчунова В.И., Колчунова Вл.И., Коробко В.И., Король Е.А., Клюевой Н.В., Колчина Я.Е., Лушникова С.Д., Меркулова С.И., Римшина В.И., Скобелевой Е.А.,

Чиненкова Ю.В., Федорова B.C., БашироваХ. 3. и др. Вопросы использования легких бетонов низкой теплопроводности в качестве теплоизоляционного слоя многослойных ограждающих конструкций и технологии их производства наиболее широко отражены в работах Крылова Б.А., Ерофеева В.Т., Савина В.И., Милых Т.И., Рахманова В.А., Евдокимова

A.A., Ярмаковского В.Н., Шапиро Г.И., Пугача Е.М., Белова Ю.А., Рубецкого

B.JI. и др.

Вместе с тем экспериментальные и теоретические исследования технологии возведения многослойных наружных стен из бетонов с различными физико-механическими характеристиками в едином технологическом цикле в условиях строительной площадки малочисленны.

В условиях монолитного строительства использование сложных систем опалубки и наличие значительных временных перерывов в изготовлении монолитной конструкции ведет к увеличению сроков строительства. В то же время, технология изготовления многослойных монолитных стен, предусматривающая одновременный набор прочности всеми слоями бетона после укладки, способна обеспечить сохранение необходимых темпов возведения монолитных конструкций этажа.

Объектом исследования являются технологические процессы возведения монолитных многослойных наружных стен гражданских зданий с применением в несущем слое конструкционных бетонов и в теплоизоляционном слое легких бетонов низкой теплопроводности.

Предметом исследования являются параметры технологических процессов возведения в построечных условиях монолитных многослойных ограждающих конструкций зданий.

Цель работы: теоретическое и экспериментальное обоснование научных положений по разработке и совершенствованию технологии

возведения монолитных многослойных стен гражданских зданий с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

обобщение и анализ современных технологий возведения многослойных наружных стен в монолитном домостроении;

сравнительный анализ состава и основных параметров технологических процессов возведения монолитных многослойных наружных стен гражданских зданий;

исследование технологических особенностей изготовления многослойных монолитных наружных стен с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности;

- экспериментальное исследование основных физико-технических характеристик элементов многослойной наружной стены из бетонов различной прочности, в том числе в зоне контакта слоев;

- разработка технологии возведения монолитных многослойных наружных стен с применением в качестве теплоизоляционного слоя легкого бетона низкой теплопроводности, оценка ее технологичности;

- экспериментальное исследование параметров технологических процессов возведения многослойных наружных стен с несущим слоем из конструкционного бетона и теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности, определение технико-экономических показателей разработанной технологии;

- разработка рекомендаций по возведению многослойных монолитных наружных стен с применением в теплоизоляционном слое бетона низкой теплопроводности.

Методика исследований:

- сравнительный анализ существующих технологий возведения наружных торцевых стен монолитных зданий, с целью выявления основных недостатков существующих способов и определения путей повышения эффективности разрабатываемой технологии;

- экспериментальное исследование строительно-технологических свойств многослойных конструкций, изготовленных с учетом особенностей разрабатываемой технологии, для определения диапазона основных конструктивно-технологических параметров многослойных монолитных наружных стен;

- экспериментальные исследования параметров технологических процессов возведения монолитных многослойных стен на натурных образцах;

численные исследования и организационно-технологическое моделирование параметров технологических процессов разработанной технологии;

- обработка и анализ полученных экспериментальных данных, определение рациональных технологических режимов возведения наружных стен со средним слоем из теплоизоляционного бетона.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- на основании проведенного сравнительного анализа современных технологий возведения многослойных ограждающих конструкций определены основные технологические параметры, существенно снижающие их технологичность: наличие технологических перерывов в устройстве отдельных слоев ограждающей конструкции, необходимость в привлечении дополнительных специализированных бригад, высокая трудоемкость изготовления, необходимость в дополнительных вспомогательных технологических процессах;

- на основании исследования физико-механических характеристик многослойной монолитной ограждающей конструкции, а также контактной зоны слоев, были установлены рекомендуемые параметры бетонов, в том числе для обеспечения совместной работы слоев конструкции с учетом климатических воздействий;

- организационно-технологические модели возведения наружных стен, отражающие снижение трудоемкости, продолжительности, стоимости работ по устройству наружных многослойных монолитных стен с использованием теплоизоляционных бетонов по сравнению с аналогами;

- технологические параметры изготовления опытных образцов элементов монолитных многослойных стен при последовательной укладке в вертикальные конструкции бетонов с различными физико-механическими характеристиками;

параметры основных технологических процессов, регламентированные результатами экспериментальных и численных исследований монолитных многослойных ограждающих конструкций с внутренним слоем из конструкционного бетона, средним слоем из легкого бетона низкой теплопроводности и наружным слоем из несъемной фибробетонной опалубки.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана технология возведения многослойных наружных стен монолитных зданий для альтернативного конструктивно-технологического решения, предусматривающего возведение несущего и теплоизоляционного слоев из легкого бетона низкой теплопроводности в едином технологическом цикле;

- определены области рационального применения разработанной технологии - преимущественно торцевые несущие наружные стены монолитных гражданских зданий без проемов;

разработаны рекомендации по возведению монолитных многослойных наружных стен с применением в теплоизоляционном слое бетонов низкой теплопроводности.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена применением общепринятых гипотез и методик расчета, стандартных методик испытаний, сертифицированных испытательных приборов и лабораторного оборудования, соотнесением полученных экспериментальных и теоретических данных с работами других авторов, выполняющих исследования в данной области.

Глава 1. Современные технологии возведения многослойных наружных стен граяеданских зданий в монолитном домостроении

1.1 Основные конструктивные типы многоэтажных монолитных зданий и их влияние на выбор конструктивно-технологических решений

ограждающих конструкций

Технологии возведения современных гражданских монолитных зданий во многом определяются их объемно-планировочными и конструктивно-технологическими решениями. В настоящее время наиболее широко применяются три основных конструктивных типа зданий: каркасные, бескаркасные и с неполным каркасом.

Каркасные здания характеризуются разделением функций конструктивных элементов на несущие (колонны, балки, ригели, перекрытия) и ограждающие (стены) (рисунок 1.1). При этом в монолитном строительстве несущие элементы выполняются из железобетона, а ограждающие, как правило, из штучных материалов, таких как кирпич, бетонные блоки и др. Среди каркасных зданий распространены конструктивные схемы с продольным расположением ригелей, поперечным расположением ригелей и безригельная.

В бескаркасных монолитных зданиях вертикальными несущими конструкциями являются внутренние и наружные железобетонные стены, которые способны совмещать несущие и ограждающие функции. Основные конструктивные схемы для таких зданий - с поперечным, продольным расположением несущих стен и совмещенная. Наиболее распространена схе