автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высокопустотные вибропрессованные бетонные блоки для теплоэффективных наружных стен зданий

^Ч, На правах рукописи

"V

ГАЙСИН АСКАР МИНИЯРОВИЧ

Высокопустотные вибропрессованные бетонные блоки для теплоэффективных наружных стен зданий

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара, 1997

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор В.В. Бабков

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.Ф. Кореиькова

кандидат технических наук, доцент Л.Ф. Ямалтдннова

Ведущая организация - АО "Башстрой" (г.Уфа)

Защита состоится 2.4 декабря 1997 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К. 064.55.01 по.присуждению ученой степени кандидата технических наук в Самарской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 443001, г.Самара, ул. Молодогвардейская, 194, ауд. 0408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 2.0 " ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

С.А. Бутенко

Актуальность темы. В мировой практике ресурсо- и энергосбережение стало решающим источником удовлетворения возрастающих потребностей в сырье, материалах, топливе и энергии. За счет этого источника в США, Канаде, ряде стран Европы достигается более четверти прироста национального дохода и покрывается до 70 - 80% роста потребностей в топливе и энергии.

Снижение расхода топлива и энергии в строительстве связано с повышением уровня тепловой защиты зданий, с совершенствованием ограждающих конструкций и объемно-планировочных решений, совершенствованием систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, правильным выбором ориентации зданий и их взаимного расположения в зависимости от климатических условий района строительства.

Практика строительства зданий разного назначения в бывшем СССР и России до последнего времени была ориентирована на предельное удешевление первоначальных затрат и фактически не увязывалась с эксплуатационными затратами, и, в частности, с энергозатратами на отопление. Это привело к тому, что по уровню теплозащиты ограждающих конструкций и по удельным затратам на отопление характеристики зданий в отечественной практике сегодня оказались хуже зарубежных аналогов в 3 - 4 раза.

Настоящая работа посвящена разработке эффективных конструкционных стеновых материалов и решений на их основе многослойных наружных стен зданий с уровнем сопротивления теплопередаче, удовлетворяющим новые общероссийские нормативы по теплозащите ограждающих конструкций зданий для условий Республики Башкортостан и соседних с ней регионов.

Работа выполнена в соответствии с постановлением Минстроя Российской Федерации от 11.08.95 г. № 18-81 о принятии Изменения № 3 СНиП II-3-79** "Строительная теплотехника", постановлением Госстроя Республики Башкортостан по ре&'шзации Программы внедрения повышенных требований к теплозащите ограждающих конструкций зданий на территории республики от 25.01.96 г. и в соответствии с целевой программой ресурсо- и энергосбережения в строительном комплексе нз 1996 - 2000 гг., принятой Кабинетом Министров Республики Башкортостан.

Цель работы состоит в разработке эффективных конструкционных стеновых материалов и решений на их основе теплоэффективных многослойных наружных стен зданий с уровнем термосопротивления, в 3 - 5 раз превосходящим этот показатель у традиционных монослойных кирпичных и панельных стен.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка предложений по реализации новых российских нормати-

вов - Изменения № 3 СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника" - по теплозащите стеновых ограждающих конструкций зданий на основе использования новых и традиционных мелкоштучных стеновых материалов в условиях Республики Башкортостан.

2. Оптимизация технологии производства и комплексные исследования нового стенового материала - высокопустотных бетонных блоков, производимых на вибропрессовом оборудовании.

3. Разработка оптимальных решений теплоэффективных трехслойных стен для малоэтажных, повышенной этажности и высотных зданий на основе новых и традиционных стеновых материалов.

4. Разработка нормативной документации по технологии производства вибропрессованных бетонных стеновых изделий и по технотеским решениям и расчету несущей способности трехслойных стен на их основе.

5. Апробация разработанных технических решений при проектировании и строительстве зданий с новым уровнем теплозащиты ограждающих конструкций в условиях Республики Башкортостан.

Научная новизна.

1. Применительно к вибропрессовой технологии производства бетонных изделий разработаны составы среднезернистых бетонных смесей для получения бетонов классов по прочности на сжатие до В 50 с пониженным расходом цемента на 30 - 40 % по отношению к традиционным технологиям уплотнения смесей.

2. Исследован комплекс физико-механических характеристик эффективных по расходу цемента вибропрессовашшх бетонов, изделий и кладок на их основе.

3. Предложено теоретическое описание поведения при нагружен им композитного элемента, включающего высокопустотный бетонный -блок и бетон омоноличивания пустот, на основании которого разработана методика расчета несущей способности стен из вибропрессованных высокопустотных бетонных блоков с внутренним каркасом.

4. Исследована эффективность применения блоков с пустотностью до 70 % в кладках наружных стен зданий по критериям материалоемкости и энергоемкости.

5. Получена теоретическая оценка эффективности использования утеплителей в наружных стенах по вариантам непрерывного теплоизоляционного экрана и заполнения пустот блоков.

Практическое значение работы заключается в решении в масштабах региона (Республика Башкортостан) задачи реализации новых российских нормативов (Изменение № 3 СНиП 11-3-79 "Строительная теплотехника")

по теплозащите стеновых ограждающих конструкций зданий. На основе новых эффективных мелкоштучных стеновых материалов и традиционного кирпича разработан пакет нормативных документов, обеспечивающий проектирование и строительство жилых, гражданских и промышленных зданий с уровнем сопротивления теплопередаче наружных стен 2,5 - 5 м "С/Вт, т.е. в 3 - 5 раз выше этого показателя для традиционных монослойных кирпичных и панельных стен. Пакет документов, включающий 5 альбомов, утвержденных и введенных в действие Госстроем Республики Башкортостан в 1995-1997 гг., в настоящее время используется всеми проектными институтами и организациями в республике.

Реализация технических решений теплоэффективных стен позволит сократить расход топлива по жилым домам в объеме до 25 кг у.т. на 1 м2 общей площади в год.

Для СП "Берлек", СП "Интерстройсервис" (г.Уфа), СРФП ООО "Стронег-АССИ" (г.Нефтекамск) разработаны технические условия на вибропрессованные бетонные изделия, по которым эти предприятия произвели в 1995-1997 гг. продукцию в объеме свыше 100 млн. шт. условного кирпича.

Разработаны, утверждены Госстроем РБ и используются проектными организациями "Рекомендации по назначению расчетных сопротивлений кладки из вибропрессованных бетонных изделий, изготавливаемых на оборудовании фирмы "ВеБяег".

Реализация работы. Уфимским государственным нефтяным техническим университетом, БашНИИстроем, институтами КПД-лроект, Уфаарх-проект, Башгражданпроекг с участием автора на основе разработанной нормативной документации запроектирована серия 3-12-этажных жилых домов и других гражданских зданий с теплоэффективными степами в соответствии с новыми нормами по теплозащите, в том числе несколько жилых 9-этажных домов по ул. Адмирала Макарова (г. Уфа) общей площадью 14000 м2.

На стадии завершения находится проектирование 15-этажного жилого дома в квартале № 380 в г.Уфе с применением в трехслойной наружной стене вибропрессованных бетонных блоков марок по прочности на сжатие 300 -400. Данный квартал в центре города Уфы (с общей площадью квартир 45000 м2 и 15000 м2 офисных и торговых помещений) по решению администрации г. Уфы будет полностью запроектирован и построен с использованием вибропрессованных бетонных блоков и трехслойных наружных стен на их основе согласно разработанной нормативной документации. Работа по проектированию начата институтом КПД-проект, БашНИИстроем и УГНТУ с участием автора в мае 1997 г.

С применением вибропрессованных бетонных блоков в 1996-1997 гг.

введены в эксплуатацию или достраиваются в настоящее время 7-этажные жилые дома в г. Уфе в микрорайоне Сипайлово (№21, 22, 23), 11-12-этажные дома по ул. Дорофеева, 3-этажное здание международного сектора ••••;римского аэропорта, несколько 3-этажных коттеджей в Нефтекамске и др.

На защиту выносятся:

- оптимизация технологии производства и результаты комплексных исследований нового стенового материала - высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков;

- методика расчета несущей способности стен на основе вибропрессованных высокопустотных бетонных блоков;

- технические решения теплоэффективных трехслойных стен для малоэтажных, среднеэтажных и высотных зданий на основе новых для условий России и традиционных стеновых материалов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Уфимского государственного нефтяного технического университета (г.Уфа, 1995, 1996, 1997 гг.); всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г.Уфа, 1995 г.); международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения" (г.Казань, 1996 г.); международной научно-технической конференции "Газ. Нефть - 96" (г.Уфа, 1996 г.); международном научно-техническом семинаре "Архитектура, строительство, коммунальное хозяйство - 97" (г.Уфа, 1997 г.); международной конференции "Промышленность стройматериалов и строй-индустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений" (г.Белгород, 1997 г.).

По основным результатам исследований опубликовано 14 статей и тезисов докладов, выпущены пять альбомов технических решений теплоэффективных конструкций стен и два технических условия.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, включая 29 иллюстраций и 38 таблиц, содержит 3 приложения. Список использованных источников включает 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первом разделе дан обзор и анализ литературных данных по проблеме ресурсо- и энергосбережения в строительстве с позиций снижения энергозатрат на отопление, рассмотрены возможные подходы к реализации

программы повышения требований по теплозащите ограждающих конструкций зданий.

Основным направлением повышения эффективности ограждающих конструкций зданий является повышение уровня их теплозащиты до нормативных требований, базирующихся на экономии энергозатрат. При этом должно обеспечиваться сохранение в течение всего срока службы здания необходимых теплофизических свойств ограждающих конструкций: сопротивления теплопередаче, воздухопроницаемости, теплоустойчивости и влажностного состояния, теплотехнической надежности ограждений.

Нормативные значения термического сопротивления ограждений в отечественной строительной практике в течение последних 30 лет изменялись незначительно, тогда как в зарубежных странах с 70-х годов они существенно возрастали и к середине 90-х гг. превысили российские требования в 3 - 5 раз. Вновь построенные жилые здания в средней полосе России требуют на нужды отопления на 1 м2 общей площади в среднем около 70 - 90 кг у.т. (450 - 600 кВт-ч) в год. Этот показатель составляет в Германии 28 - 34 кг у .т. (180 - 220 кВт-ч), в Швеции и Финляндии 18 - 25 кг у.т. (120 - 160 кВт-ч) в год. Такой высокий удельный расход энергоресурсов на отопление в России обусловлен тем, что при проектировании в соответствии с действовавшими до конца 1995 г. СНиП Н-3-79** "Строительная теплотехника" применялись низкие нормативные показатели термического сопротивления ограждающих конструкций и в практике строительства использовались конструктивные решения с низким уровнем теплозащиты.

Главный принцип проектирования наружных ограждений за рубежом -экономическая оптимизация теплозащиты ограждающих конструкций, заключающаяся в обеспечении минимальных затрат на возведение и эксплуатацию зданий. Нормативные требования к сопротивлению теплопередаче различных видов наружных ограждений, принятые в настоящее время в странах Северной Европы и Канаде, в значительной мере удовлетворяют этому критерию.

В рамках реализации программы ресурсосбережения Министерство строительства Российской Федерации утвердило и ввело в действие с 01.09.95 г. Изменение № 3 СНиП Н-3-79 "Строительная теплотехника", резко, до 3 - 4 раз, повышающее требования к уровню теплозащиты ограждающих конструкций зданий на территории России по отношению к действовавшему на этот момент СНиП 11-3-79" "Строительная теплотехника". При разработке этого документа в основу концептуального подхода по назначению новых нормативов положены теоретические разработки О. Фангера, В.Н. Богословского и Ю.А. Табунщикова.

В работах Бутовского И.Н., Матросова Ю.А. и др. показано, что решение задачи реализации новых требований по теплозащите зданий в традиционных конструкциях стен (монослойная керамзитобегонная панель или массивная кирпичная стена) технически чрезвычайно сложно и потребует перехода на другие, более эффективные типы конструкций.

В определенной мере рассматриваемая проблема может быть решена на основе использования опыта стран Европы и Америки, перешедших на аналогичные нормативные требования уже 10 и более лет назад. Достаточно распространенная в странах Западной Европы конструкция наружной стены состоит из внутреннего несущего и наружного ограждающего слоев, в промежуток между которыми устанавливается утеплитель. Слои объединены гибкими стальными связями, передающими нормальные ветровые усилия с наружного слоя на внутренний и не препятствующими температурным деформациям наружного слоя в своей плоскости. Для несущей части конструкций стен используются керамический и силикатный кирпич, пустотелые строительные камни из легкого бетона, строительные камни из газобетона и поризованного гипса, бетонные камни.

Ведущими в производстве бетонных стеновых камней в настоящее время являются США, Канада, Великобритания, Германия, Италия. При этом производство мелкоштучных бетонных блоков различных типов и конфигураций значительно расширяется благодаря их преимуществам по сравнению с традиционными стеновыми материалами (керамическим или силикатным кирпичом, монолитным бетоном), таким как более низкая стоимость, высокая архитектурная выразительность. Однако имеется ряд нерешенных вопросов, связанных с использованием этих, сравнительно новых для отечественного строительства материалов в структуре теплоэффектив-ных наружных стен, для которых отсутствует нормативная документация по расчету и конструированию, в особенности при использовании вибропрсссо-ванных бетонных блоков повышенной пустотности и прочности. В связи с этим потребовалось проведение специальных исследований по изучению механических и теплофизических свойств высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков, в особенности блоков повышенной прочности, их работы в структуре многослойных стен с повышенным термосопротивлением и повышенной несущей способности.

Второй раздел содержит описание характеристик материалов и методов экспериментальных исследований.

В качестве материалов для проведения исследований использовались вибропрессованные бетоны и стеновые блоки на их основе с пустотностью 35...70 %, производимые на вибропрессовом оборудовании фирмы "Besser"

1! СП "Берлек" АО БНЗС, СП "Интерстройсервис" АО КПД, (г.Уфа), на линии "Баг^-РРВ" в СРФП ООО "Стронег-АССИ" (г.Нефтекамск). Строительный комплекс Башкортостана в последние 3 года приобрел и задействовал 8 линий по производству этой продукции общей мощностью около 400 млн. шт. условного кирпича в год.

В качестве исходных материалов для бетонных смесей при производстве блоков, кладочных растворов и бетонов омоноличивания использовались портландцемент марок ПЦ 500-Д0, ПЦ 400-Д20, шлакопортландцемент ШПЦ 400, ШПЦ 300 производства Стерлитамакского АО "Сода" (г. Стерли-тамак, РБ), гравий, песок речной карьеров "Александровка", "Князево", "Чесноковка", "Чижов Яр" (г.Уфа), ряд химических добавок и некоторые отходы промпроизводств в качестве минеральных наполнителей.

Методики проведения большинства экспериментов и исследований, используемые приборы и оборудование соответствовали действующим стандартам.

Исследования работы кладки включали испытания двухэлементных призм (390x190x390 мм), большеформатных образцов кладок (790x190x1400 мм), контрольных образцов кладочных растворов и бетонов омоноличивания (балочки 40x40x160 мм; кубы 70x70x70 мм; кубы 100x100x100 мм; призмы 100x100x400 мм).

Механические испытания образцов проводились на гидравлических прессах П-50, П-125, П-500 и П-1000 Армавирского завода испытательных машин и неразрушаюишми методами.

Исследования деформативных характеристик вибропрессованных бетонов, стеновых изделий и кладок на их основе проводились с использованием тензометрических приборов различных типов.

Полученные результаты обрабатывались с применением методов математической статистики.

В третьем разделе рассмотрены задачи оптимизации конструктивных решений наружных стен зданий при переходе от монослойных решений из традиционных материалов к трехслойным с применением высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков по критериям материалоемкости и энергоемкости.

При использовании высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков трехслойные решения наружных несущих стен позволяют не только резко повысить их теплозащитные характеристики, но и в ряде случаев существенно снизить материалоемкость и стоимость конструкций ограждения по сравнению с однослойными конструкциями.

В структуре нагрузок на широко применявшиеся до настоящего вре-

мени массивные несущие стены зданий с использованием керамического или силикатного кирпича доля нагрузки от собственного веса стены при ее толщине в 2 - 3 кирпича (51 -77 см) составляет 55-65%. Эту долю даже в малоэтажных зданиях, когда абсолютные нагрузки на наружные стены относительно невысоки, невозможно снизить в силу того, что толщина стены предопределялась требованиями по теплозащите ограждения.

Такая задача, однако, хорошо решается в конструкциях теплоэффек-тивных трехслойных стен с использованием высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков. При этом обеспечению несущей способности в общем случае будет содействовать снижение уровня требуемой несущей способности облегченной стены в силу снижения общей нагрузки на стену.

Если считать, что в исходном варианте стены а - доля нагрузки от собственного веса р в полном объеме удельной (на пог. м) нагрузки р0, то доля неизменной части нагрузки - полезной и от собственного веса конструкций перекрытий - составит (1-а)-р0. При использовании облегченного варианта стены первая часть нагрузки составит (За-р„, где (3<1 - относительный уровень нагрузки от собственного веса по отношению к исходному варианту стены. Тогда требуемая несущая способность стены в облегченном варианте ррсг=р„-{1-а(1-Р)}.

Результаты расчетов по несущим наружным стенам жилых домов (толщина исходного варианта стены для условий Республики Башкортостан 64 см, IV снеговой район) применительно к вибропрессованным бетонным блокам с пустотностью 50 % показывают, что для малоэтажных зданий, несущие слои наружных стен которых решаются в однослойной кладке с цепной перевязкой из пустотных блоков толщиной 190 мм, значения а = 0,54...0,58; р = 0,18...0,20, а ррсг/Ро = 0,52...0,56. Для зданий средней этажности с внутренним каркасом средней мощности - при частичной обетониров-ке пустот блоков и навеске на несущий слой облицовочного слоя из бетонных камней толщиной 90 мм - Р - 0,38, а значение ррсг/р„ составит 0,60...0,64. Для зданий повышенной этажности, когда необходимо полное заполнение пустот, применение утолщенных блоков толщиной 240, 290 мм и мощное рабочее вертикальное армирование - |3 = 0,47.„А,53, а ррСг/р0 = 0,67...0,77.

Эффективность наружных стен зданий с применением высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков на стадии строительства обусловлена следующими их достоинствами:

- оптимальность по конфигурации, обеспечивающая значительное повышение эффективности использования материала по сравнению с полнотелыми изделиями в конструктивных элементах, работающих на сжатие

5У

(несущие стены зданий, столбы, колонны), разрушение которых предопределяется потерей устойчивости;

- специфика конфигурации, позволяющая использовать высокопустотный блок как опалубочный элемент с возможностью последующего создания внутреннего каркаса по сборно-монолитной технологии путем обетони-рования пустот и введения вертикальной и поперечной рабочей арматуры;

- высокая точность изделий, изготавливаемых на вибропрессовом оборудовании, стабильность геометрических размеров изделий, позволяющая обеспечить высокое качество кладки;

- сравнительно малый вес основного типа изделия, эквивалентного по объему 8 стандартным кирпичам (15 - 18 кг);

- возможность формирования на основе этих изделий тонкостенных несущих конструкций, обеспечивающих значительное снижение расхода конструкционного материала и до 2 - 3 раз нагрузки от собственного веса стены, минимизацию изгибающего момента от опорной реакции плиты перекрытия на несущий слой наружной стены здания.

На стадии эксплуатации зданий снижение энергозатрат обусловлено сокращением теплопотерь через ограждения за счет эффективного использования утеплителя.

Утеплитель в решениях трехслойных стен наиболее рационально использовать в виде непрерывного теплоизоляционного экрана. Применение утеплителя в виде термовкладышей в конструкциях ко-лодцевых кладок стен с периодической перевязкой наружного и внутреннего слоев, а также путем заполнения пустот высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков резко снижает приведенное сопротивление теплопередаче из-за формирующихся мостиков холода и понижения теплотехнической однородности стены, что иллюстрируется результатами наших расчетов, приведенными на рис 1, где сравни-

Коэффициент теплопроводности утеплителя л, Вт/м°С

Рис 1 Графики эффеетивности использования утеплителей по вариантам заполнен!« пустот бетонных блоков н в виде непрерывного экрана-Варианты использования утеплителей: I - в виде непрерывного экрана, 2- путем заполнения пустот блоков с пустотно-стыо 90%, 3 - то же, с пустотностью 75%, 4 - то же, с пустотностью 50%, 5 - то же, с пустотностью 25% Средняя плотность бетона блоков 2200 кг/м*

вается стена из блоков с заполненными теплоизолирующим материалом пустотами по отношению к стене из пустотелых блоков в сочетании с непрерывным теплоизолирующим слоем (экраном). При этом наибольшее преимущество непрерывного экрана достигается при использовании эффективных утеплителей с коэффициентом теплопроводности 0,025...0,04 Вт/м°С.

Анализ энергозатрат на отопление зданий показывает, что применение теплоэффективных трехслойных стен с использованием высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков взамен массивных монослойных из традиционных материалов позволяет сократить расход топлива до 25 кг.у.т. на 1 м2 общей площади в год.

Четвертый раздел посвящен оптимизации технологии производства и исследованию физико-механических характеристик вибропрессованных бетонных блоков и кладок на их основе.

В настоящее время в строительном материаловедении и технологии бетонов успешно развиваются направления, реализующие возможности высокого уплотнения бетонных смесей в целях упрочнения бетона. В работах В.В. Михайлова, А.Е. Десова, Ю.М. Баженова, A.B. Волжснского, Г.В. Му-рашкина, Т.Е. Арбузовой и др. показана возможность получения материалов высокой прочности и долговечности на основе вибропрессования и гиперпрессования жестких смесей. Значительный научный и практический интерес представляет собой развитие технологии вибропрессования применительно к высокопустотным бетонным блокам с целью получения изделий повышенной прочности и долговечности с минимальным объемным весом за счет пустотности. Наши исследования показали, что для вибропрессую-щего оборудования Vibrapac фирмы "Besser" оптимальными параметрами вибропрессования для получения бетонов повышенной плотности и прочности при обеспечении технологичности процесса является давление 0,05 -0,08 МПа, частота колебаний 1700 - 2500 кол/мин при амплитуде 0,5 - 0,6 мм.

Важным фактором, оказывающим влияние на весь комплекс свойств вибропрессованных изделий, является гранулометрический состав применяемых заполнителей. Проведенные исследования на заполнителях 5 карьеров г.Уфы показали, что рациональность технологии для среднезернистых смесей с ограничением крупности заполнителя размером 12 мм достигается при использовании сочетания трех фракций в следующих пропорциях: 5-10 мм - 15-25%; 0,3-5 мм - 60%; < 0,3 мм - 25-15% при модуле крупности зерновой смеси около 3,5 (рис. 2).

Исследования влияния соотношения цемент-заполнитель на физико-механические показатели высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков (см. рис. 2) показали, что для получения бетонов в изделии с прочно-

52 43

г:

0 40

£

1

ГЭ

3 32

Г.

Ю

0

1 24

стью на сжатие до 40 - 50 МПа при оптимальном гранулометрическом составе заполнителя необходим расход цемента М400 240 - 280 кг/м^; для получения бетона в изделии с прочностью на сжатие 20 - 30 МПа достаточен расход цемента 170 - 210 кт/м\ что на 20 - 40 % ниже по отношению к традиционным технологиям уплотнения смесей. При этом введение в бетонную смесь тонкодисперсного наполнителя в виде ипритного огарка с дисперсностью по удельной поверхности около 3000 см2/г в количестве до 15 - 20 % от массы цемента при прочих равных условиях позволяет повысить прочность изделий на 15-20%.

Исследование прочностной анизотропии вибропрессованного бетона в изделиях показало, что прочность на сжатие в направлении вибропрессования на 5 -15 %, а на растяжение при изгибе на 20 - 30 % выше

16

А

А, а/ а* Г * а

АШ о

Го • 8 8

2 3 4 5 Модуль крупности заполнителя М

Рис. 2. Зависимости прочности на сжатие вибропрессованных бстонныч блоков с пустотностыо 50 %. производимых на оборудовании фирмы "Besser", от моду ли кру пности заполнителя: о» - составы бстоиныч смесей с расходом цемента

ПЦ400 ПО - 160 кг/м ■ - тоже. 170 - 210 кг/ч \

* - тоже. 240 - 2X0 кг/м';

о - данные, полученные на линии в СП "Берлек".

• ■ ж -тоже, в СП "Иптерстройсервнс" (Уфа)

аналогичного показателя в направлении, перпендикулярном вибропрессовп-нию, что предопределяет рациональное использование изделий в кладке по схеме их нагружения в направлении прессования.

Технология вибропрессования позволяет получать изделия с более низкими показателями усадки, водопоглощения и более высокой морозостойкостью (Р 300 - 400 для изделий при классе бетона по прочности В30 -В40) по сравнению с традиционными технологиями виброуплотнения при повышенной однородности продукции по прочности. Данные испытаний партий серийной продукции на линии в СП "Интерстройсервис" показали значения коэффициента вариации по прочности для двухпустотных бетонных блоков от 0,07 до 0,12.

Исследования физико-механических характеристик кладок на основе высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков, когда несущая спо-

собность кладки формируется по продольным наружным контактным площадкам блока, позволили выявить рациональное соотношение прочностей раствора и бетона блока на сжатие, которое должно быть не ниже 1:2. При более низком соотношении прочностей раствора и бетона изделия происходит значительный сброс прочности кладки с визуальной фиксацией выдавливания раствора и его работой как смазки, обусловливающей свободу поперечного деформирования камня на уровне шва.

На рис. 3 приведены зависимости ога - 8т для разнородных по прочности кладок, иллюстрирующие соответствие упругой характеристики кладки а из вибропрессованных камней нормированному значению по СНиП II-22-81 "Каменные и армокаменные конструкции" для камней из тяжелого бетона, получаемых традиционными методами уплотнения (а = 1500).

В связи с тем, что в отечественных нормах по расчету каменных и армокаменных конструкций отсутствует методика расчета конструкций из высокопустотных изделий (с пустот-ностыо более 37 %), возникла необходимость разработки метода расчета пустотелой кладки из таких блоков, кладки с омоноличиванием пустот, армированной кладки.

Повышение несущей способности каменной кладки стен из высокопустотных бетонных блоков может быть достигнуто обетонированием пустот с введением при необходимости вертикальной рабочей арматуры, при этои неармированный внутренний каркас для блоков с 50%-ной пустотностыо по зволяет повысить прочность кладки до 2 раз, армированной - до 3 раз и бо лее.

При обетонировании внутренних пустот формируется композитны! элемент, включающий два разнородных по деформативности и лрочносп материала. В общем случае, учитывая перераспределение нормальных на пряжений в сечении в соответствии с соотношением модулей упругопла

0 40 80 120 160 200 Относительная деформация Ет, 10'5

Рис. 3. Зависимости ат - ет при нагру-жении крупноформатных кладок из вибропрессованных двухпустотных бетонных блоков БС 1.1 по ТУ 67.18.78-94: 1 - кладка из блоков с прочностью на сжатие (нетто) 45,3 МПа на растворе марочной прочностью 20,9 МПа; прочность кладки нетто на сжатие 19,9 МПа, начальный модуль упругости 29200 МПа, а * 1500, 2 - то же с прочностью блоков на сжатие 16,3 МПа на растворе с марочной прочностью 18,1 МПа; прочность кла-дки на сжатие 9,3 МПа, начальный модуль упругости 12100 МПа. а « 1400

стичности материалов, прочность (разрушающую нагрузку) такого элемента Ыи на осевое сжатие для случая К„П1-(Еь'/Ет') < 11иь можно представить в следующем виде

Ни = Кит-Ат + Кшп-(Еь'/ЕП1'>Аь, (1) где Яш,, - прочность нетто пустотелой кладки на сжатие; 11иь- призмен-ная (физическая) прочность бетона обетонирования пустот; Аш, Аь- соответственно площади кладки и бетона обетонирования пустот; Еъ', Ет' - модули упругопластичности бетона обетонирования и кладки для соответствующих напряженных состояний двух материалов.

Случай (1) соответствует опережающему "отказу" (достижению предела прочности на сжатие) кладки с последующим перераспределением нагрузки на бетон обетонирования пустот и общим разрушением.

В случае Яцщ-СЕь'/Еп,') > опережающий "отказ" произойдет по бетону обетонирования и прочность будет определяться зависимостью

Иц = ИиьЧЕп;/ Еь')-Ага + Яаь-Аь .(2) В этом случае упругопластическое состояние бетона обетонирования и блокирование нарастающих поперечных деформаций этого бетона обоймой - пустотелым камнем - обусловит нагружение камня нарастающим поперечным давлением, приведет к развитию в бетоне камня тангенциальных растягивающих напряжений и разрушению кладки.

В достаточно широком диапазоне прочностей бетона (от 10 до 50 МПа но призменной прочности) предельная деформатнвность бетона на сжатие изменяется сравнительно мало - в пределах от 170 ■ 10° до 200 • 10"3, что позволяет даже при значительном отличии прочностей бетона обетонирования и кладки для оценки разрушающей нагрузки композитного элемента использовать аддитивную схему. Тогда расчетная несущая способность для цен-тралыю-сжатых элементов пустотелой кладки с обетонированными пустотами будет определяться зависимостью

Ырег = ср-т^Л-Ащ+Ль -А ь), (3) где Я, Яь, - соответственно расчетные сопротивления кладки и бетона обетонирования сжатию; Ага, Аь - соответственно площади сечения кладки и бетона обетонирования; - коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки; <р - коэффициент продольного изгиба.

Для центрально-сжатого армированного элемента при проценте армирования продольной вертикальной арматуры 0,5 - 3 % расчетная несущая способность будет определяться зависимостью

Ирег = ФсЛ0,85 тДЯАпЩь Аь) + й* А5'], (4) где - расчетное сопротивление арматуры сжатию; А5'- площадь сечения арматуры; срС5 - коэффициент продольного изгиба комплексной конст-

рукции; Ук - коэффициент условий работы арматуры; 0,85 - коэффициент, учитывающий неполное использование прочности кладки и бетона обетони-рования при их совместной работе с вертикальной рабочей арматурой.

Учет эксцентриситета при расчете внецентренно сжатых армированных и неармированных элементов может быть выполнен в соответствии со СНиП 11-22-81 "Каменные и армокаменные конструкции".

Данные экспериментов по испытанию крупноформатных кладок показали, что при равной марочности камней и раствора по прочности на сжатие прочность кладок из высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков на 15 -20 % выше прочности кладок из полнотелых бетонных камней, получаемых по обычной технологии виброуплотнения и литьевой, что позволяет в той же пропорции повысить уровни расчетных сопротивлений для кладки из вибропрессованных бетонных блоков относительно табл. 5 СНиП П-22-81 "Каменные и армокаменные конструкции".

Пятый раздел посвящен разработке нормативной документации на производство и применение вибропрессованных бетонных блоков и оценке технико-экономической эффективности их использования в жилищном, гражданском и промышленном строительстве.

На основе принципов оптимизации, предложенных в третьем разделе, были разработаны конструктивные решения стен с использованием вибропрессованных бетонных блоков и традиционных материалов (силикатный, керамический кирпич), заложенные в серию альбомов, в том числе двух альбомов технических решений теплоэффективных трехслойных стен и узлов жилых, гражданских, производственных зданий для условий Республики Башкортостан и один - для условий Тюмени и Тобольска. Эти атьбомы разработаны для 2-го этапа Изменения №3 СНиП П-3-79 "Строительная теплотехника", предусматривающего повышение требований по теплозащите в 3 -3,3 раза по сравнению с существовавшими. Этот уровень требований для зданий до 3 этажей включительно и для реконструируемых зданий введен с 1.10.95 г., а для многоэтажных зданий вводится с 1.01.2000 г.

Структура альбомов включает пояснительную записку, номенклатуру мелкоштучных стеновых материалов, выпускаемых предприятиями Республики Башкортостан, номенклатуру утеплителей, классификацию компоновок трехслойных стен для малоэтажных, среднеэтажных и высотных зданий, технические решения трехслойных стен со справочными данными по уровням сопротивления теплопередаче, номенклатуру гибких связей и способы их защиты от коррозии, решения конструктивных узлов зданий.

Технические решения разработаны для всей номенклатуры мелкоштучных стеновых материалов, включая керамический и силикатный кирпич

>быкновешшй н модульный, вибропрессовашше высокопустотные бетонное блоки.

Номенклатура утеплителей, используемых в трехслойных стенах, зключает утеплители эффективные с коэффициентом теплопроводности X = Ь,025...0,055 Вт/'м°С и утеплители умеренной эффективности с Х - 0,06...0,13 Вт/м°С. К первой группе относятся беспрессовый пенополистирол, минера-ловатные плиты полужесткие марок Т1-75, П-125, экструдированный пенополистирол марки ЭППС, выпускаемые отечественными производителями, и уже достаточно известные в России импортные утеплители марок Styrofoam, Rockwoll, Paroc, Isover, Ursa. В разделе, касающемся утеплителей, приведены сведения о их теплопроводности, горючести, гигиенических качествах, стоимости, долговечности.

Номенклатура гибких связей разработана для основных вариантов компоновок стен. Предусмотрено несколько вариантов антикоррозионной защиты связей: применение нержавеющей проволоки Белорецкого металлургического комбината (Республика Башкортостан) на основе сталей марок 20X13, 12X13 по ГОСТ 18143-72; оцинковка арматурной проволоки Вр-1, применение биметаллической проволоки по ГОСТ 3822-79.

В разделе "Конструктивные узлы" разработаны решения сопряжений оконных и дверных блоков со стенами, узлы опирания плит перекрытия и покрытия, узлы сопряжений наружных и внутренних степ, фундаментов и стен.

Анализ уровня снижения энергозатрат на отопление в результате перехода на требования, соответствующие второму этапу новых нормативов в соответствии с разработанной для Республики Башкортостан документацией, на примере проектируемых, запроектированных, строящихся и построенных зданий в гг. Уфе, Нефтекамске, Сапавате и др. общей площадью 81,5 тыс. м" показал, что экономический эффект вследствие применения тепло-эффективных наружных стен в этих объектах составляет 1467 т у .т., или L872 млрд. руб. в год. За нормативный срок службы зданий 80 лет эти показатели составят соответственно 117,36 тыс. т у.т., или 149,976 млрд. руб. в ценах третьего квартала 1997 г. При этом использование в несущем слое теплоэффективных наружных стен высотных зданий вибропрессованных бетонных блоков взамен керамического или силикатного кирпича обусловит снижение расхода конструкционного материала на 25 - 35 %.

Таким образом, переход на новые теплоэффективные трехслойные наружные стены с использованием высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков приводит к снижению стоимости строительства зданий и значительной экономии энергцресурсов на стадии их эксплуатации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены направления реализации новых российских нормативов - Изменения № 3 СНиП П-3-79 "Строительная теплотехника" - по теплозащите стеновых ограждающих конструкций зданий для условий Республики Башкортостан, сводящиеся к замене массивных монослойных кирпичных и панельных стен на трехслойные, включающие средний утепляющий слой на основе эффективных утеплителей.

2. Исследована эффективность применения в конструктивных решениях трехслойных наружных стен вибропрессованных бетонных блоков с пустотностью до 70 % по критериям материалоемкости и энергоемкости. Применение взамен массивных наружных стен из традиционного кирпича трехслойных конструкций на основе высокопустотных бетонных блоков позволяет не только в 3 - 5 раз повысить теплозащиту стен по уровню сопротивления теплопередаче за счет регулирования толщины утепляющего слоя, но и сократить расход конструкционного материала на стены в малоэтажных (до 3 этажей) зданиях до 3 - 4 раз, среднеэтажных (4 - 7 этажей) до 2 раз, в высотных - до 1,5 раза при сопутствующем снижении нагрузки на несущие стены и снижении расхода материала на фундаменты от 15 до 40 %.

3. Предложена теоретическая оценка эффективности использования утеплителей в наружных стенах с применением высокопустотных блоков по вариантам непрерывного теплоизоляционного экрана и заполнения пустот блоков. Показано, что утеплитель в решениях трехслойных стен наиболее рационально использовать в виде непрерывного теплоизоляционного экрана, при этом удельная эффективность термоизоляторов типа пенополистирола, полужестких плит на различной минеральной основе для стен из блоков в тяжелом бетоне при их пустотности 50 % для варианта утепления в виде экрана выше по сравнению с вариантом заполнения пустот до 5 - 7 раз.

4. Для технологии вибропрессования разработаны составы среднезер-нистых бетонных смесей на основе заполнителей местных карьеров и вяжущих, производимых предприятиями региона (Республика Башкортостан), обеспечивающие получение бетонов классов по прочности на сжатие до В 50 с пониженным расходом цемента на 20 - 40 % по отношению к традиционным технологиям уплотнения смесей.

5. Исследован комплекс физико-механических характеристик эффективных по расходу цемента вибропрессованных бетонов, изделий и кладок на их основе. Выявлены рациональные соотношения марок блоков и раствора по прочности для кладки стен из высокопустотных блоков, когда несущая способность кладки формируется по продольным наружным контактным площадкам блока.

6. Разработана методика расчета несущей способности стен на основе вибропрессованных высокопустотных бетонных блоков. Расчетные характеристики кладки, используемые в предложенной методике, подтверждены экспериментальными исследованиями. Исследована работа композитного элемента, включающего два разнородных по деформативности и прочности материала - вибропрессованный бетонный блок и бетон омоноличивания пустот.

7. Разработана нормативная документация по технологии производства вибропрессованных бетонных блоков (ТУ 67.18.78 - 94, ТУ 5741-08801266763-96), по техническим решениям теплоэффективных трехслойных стен и расчету несущей способности стен. Реализация технических решений теплоэффективных трехслойных стен позволяет сократить расход топлива по жилым домам в объеме до 25 кг у.т. на 1 м? общей площади в год. По разработанной документации в настоящее время в регионе ведется проектирование и строительство серии 3-11-этажных жилых домов и гражданских зданий общей площадью свыше 100 тыс. м2 степлоэффективными стенами в соответствии с новыми нормативами по теплозащите.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бабков В.В., Колесник Г.С., Гайсин A.M. Новые общероссийские нормативы по теплозащите зданий и возможности их реализации в жилищном и гражданском строительстве в условиях Республики Башкортостан // Бюллетень строительного комплекса Республики Башкортостан. - Уфа. -1995. №5. -С. 27 - 36.

2. Теплоизоляционные материалы для двух-, трехслойных стен с повышенными теплозащитными характеристиками в условиях Республики Башкортостан / Колесник Г.С., Бабков В.В., Демченко В.П., Гайсин A.M. /7 Бюллетень строительного комплекса Республики Башкортостан. - Уфа.

- 1995,- №6. -С. 25 -30.

3. Гайсин A.M., Карташов В.Б., Каранаев М.З. Рациональные направления применения высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков // Материалы XXXXVI-й научно-технической конференции УГНТУ. - Уфа.

- 1995. - С. 218.

4. Бабков В.В., Гайсин A.M., Сафина О.М. Рацион&чьные пути использования утеплителей в наружных стенах зданий из высокопустотных бетонных блоков // Проблемы нефтегазового комплекса России: Материалы всероссийской научно-технической конференции. / УГНТУ. -Уфа. -1995. -С. 218.

5. Конструирование несущих наружных трехслойных стен с повышен-

ной теплозащитой на основе мелкоштучных стеновых материалов / БабкоЕ В.В., Колесник Г.С., Гайсин A.M., Демченко В.П., Недосеко И.В., Каранаее М.З., Карташов В.Б. // Бюллетень строительного комплекса Республики Башкортостан. - Уфа. - 1996. №2.-С. 27 -34.

6. Работа вибропрессованных высокопустотных бетонных блоков в структуре стеновой кладки / Гайсин A.M., Чикота А.Н., Чуйкин А.Е., Бабков В.В. // Материалы XXXXVII-й научно-технической конференции УГНТУ. -Уфа, - 1996.-Том 2.-С. 8.

7. Высокопустотные вибропрессованные бетонные блоки в решениях трехслойных наружных стен зданий / Бабков В.В., Гайсин A.M., Каримов И.Ш., Карташов В.Б., Недосеко И.В. // Современные проблемы строительного материаловедения. Академические чтения РААСН: Материалы международной конференции (сентябрь 1996 г.) / КГ АСУ. - Казань. - 1996. - Часть 1. -С. 55 - 57.

8. Новые общероссийские нормативы по теплозащите ограждающих конструкций зданий и пути их реализации на примере Республики Башкортостан / Бабков В В., Колесник Г.С., Гайсин A.M., Сафина О.М., Недосеко И.В., Чикота А.Н. // Новые технологии строительного производства и систем транспортирования газа: Труды Самарского филиала секции "Строительство" Российской Инженерной Академии. Выпуск 4. / Самарский филиал секции "Строительство" РИА. - Самара. - 1996. - С. 179 - 196.

9. Местные заполнители для производства бетонных изделий на оборудовании фирмы "Besser" / Бабков В.В., Колесник Г.С., Гареев P.P., Гайсин A.M., Вагапов Р.Ф., Оратовская A.A., Чуйкин А.Е., Сафина О.М., Дьяконова Н.В., Гаржанов В.Н. // Бюллетень строительного комплекса Республики Башкортостан. - Уфа. - 1997. № 1. - С. 35 - 40.

10. Расчет прочности кладки из высокопустотных бетонных блоков с обетонированными пустотами / Чикота А.Н., Гайсин A.M., Гареев P.P., Сафина О.М., Вагапов Р.Ф., Бабков В.В. //' Материалы XXXXVIII-й научно-технической конференции УГНТУ. - Уфа. - 1997. - Том 2. - С. 27.

11. Эффективность трехслойных наружных стен зданий с использованием высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков / Бабков В.В.. Гайсин A.M., Чикота А.Н., Недосеко И.В., Карташов В.Б., Сафина О.М И Материалы научно-технической конференции НГАС. - Новосибирск - 1997. - Часть 1. - С. 23-24.

12. Нормативная документация по освоению новых требований по теплозащите ограждающих конструкций зданий для Республики Башкорто стан / Колесник Г.С., Парфенов В.И., Гайсин A.M., Чикота А.Н., Недосекс И.В., Сафина О.М. // Материалы международного научно-технического се

минара при 3-й международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-97", ВДНХ./УГНТУ. -Уфа. - 1997. -С. 13.

13. Проектирование составов бетонных смесей в технологии производства вибропрессованных бетонных изделий / Бабков В.В., Парфенов В.И.. Гайсин A.M., Чуйкин А.Е., Сафина О.М., Гареев P.P. // Материалы международного научно-технического семинара при 3-й международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 97", ВДНХ./ УГНТУ,- Уфа. - 1997. - С. 14-15.

14. Эффективность наружных трехслойных стен зданий на основе мелкоштучных стеновых материалов / Бабков В.В., Колесник Г.С., Гайсин A.M., Чикота А.Н., Недосеко И.В., Карташов В.Б., Сафина О.М., Гареев P.P. // Промышленность стройматериалов и стройиндусгрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений. XVI научные чтения: Материалы международной конференции (октябрь 1997 г.) / БелГТАСМ. - Белгород. - 1997.-Части 6-7.-С. 121-126.

15. ТУ 67.18.78 - 94. Блоки бетонные вибропрессованные стеновые / БашНИИстрой. - Уфа, 1994.

16. Альбом "Технические решения теплозффективных трехслойных наружных стен жилых, гражданских и производственных зданий на основе мелкоштучных стеновых изделий для условий Республики Башкортостан". -Уфа, 1996.-74 с.

17. Альбом "Технические решения теплозффективных наружных трехслойных стен и узлов жилых, гражданских и производственных зданий на основе вибропрессованных бетонных блоков, выпускаемых по технологии Saret, для условий Республики Башкортостан". - Уфа, 1996. - 60 с.

18. ТУ 5741-088-01266763-96. Блоки бетонные вибропрессованные для стен и перекрытий / БашНИИстрой. - Уфа, 1996.

19. Альбом "Технические решения теплозффективных наружных трехслойных стен и узлов жилых, гражданских и производственных зданий на основе мелкоштучных стеновых изделий для условий гг. Тобольска и Тюмени". - Уфа, 1997. - 60 с.

Соискатель A.M. Гайсин