Энергоэффективные ограждающие конструкции зданий
с гибкими композитными связями

В. Н. Ярмаковский, канд. техн. наук, зав. лабораторией ГУП «НИИЖБ»;

Г. И. Шапиро, инженер, глав. конструктор МНИИТЭП;

С. Л. Рогинский, доктор техн. наук, проф., ген. директор ЗАО «МАТЕК»;

В. Б. Тросницкий, зам. начальника технического управления ОАО «Моспромстройматериалы»;

А. С. Залесов, доктор техн. наук, проф., зав. лабораторией ГУП «НИИЖБ»;

Н. К. Розенталь, канд. техн. наук, зав. сектором ГУП «НИИЖБ»

В соответствии с этим Управлением Генплана Москвы вместе с ОАО «Московский комитет по науке и технологиям» и ОАО «Моспромстройматериалы» были поставлены задачи:

- на первом этапе – разработать гибкие связи для трехслойных наружных стеновых панелей из композитных материалов (стекловолокна или базальтовые волокна в комплексе с полимерным связующим);

- на втором этапе – разработать конструкции трехслойных стеновых панелей с плитным утеплителем и с гибкими композитными связями оптимальных вариантов (по используемым материалам связей и виду их анкерующих устройств).

Соответствующая этим задачам исследовательская и проектная работа выполнялась в 1999–2000 годах ГУП «НИИЖБ» совместно с МНИИТЭП, ЗАО «МАТЕК» при НПО «Стеклопластик» и НИИСФ.

Результаты выполненных на первом этапе экспериментальных исследований рассматриваемых композитов, соответствующих расчетов вместе с анализом имеющихся литературных данных показали, что соединители слоев бетона (связи), состоящие из стекловолокон, базальтовых волокон и полимерных связующих различных видов, выпускаемых отечественными предприятиями и объединяющих отдельные волокна в монолитный композитный элемент, обладают:

- низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности не выше 0,35 Вт/м•°C против 1,69 Вт/м•°C у железобетонных шпонок и 50 Вт/м•°C у гибких стальных связей), что предполагает при применении композитных связей исключение так называемых «мостиков холода» и возможность повысить теплотехническую однородность трехслойной стеновой конструкции;

- достаточно высокими физико-механическими характеристиками (а именно: прочностью при растяжении не ниже 630 МПа для стеклопластика и 720 МПа для базальтопластика и модулем упругости не ниже 29 000 МПа для стеклопластика и 31 000 МПа для базальтопластика), которые принципиально могут обеспечить необходимые требования по прочности и деформативности трехслойных стеновых панелей.

Далее были выполнены сравнительные испытания стойкости в щелочной среде, моделирующей поровую влагу бетона (в 1 N растворе NaOH при +55°C – ускоренные испытания в жестком режиме), в цементной вытяжке и непосредственно в бетоне (сухом и влажном) при t=+20±2°C образцов композитных материалов, предполагаемых к использованию для изготовления связей. При этом варьировались сочетания следующих компонентов этих материалов:

- смолы – полиэфирная, винилэфирная и эпоксидная;

- волокна – алюмоборосиликатное стекловолокно, циркониевое стекловолокно и базальтовое волокно.

Критерием оценки щелочестойкости композитных материалов служили изменения их прочности и модуля упругости в указанных средах по сравнению с исходными характеристиками материалов. Результаты испытаний показали, что существенно более стойким в щелочной среде бетона по сравнению с другими композитами является базальтопластик, изготовленный на основе базальтового волокна и эпоксидной смолы. Высокая щелочестойкость установлена и при соответствующих испытаниях образцов связей опытной партии, изготовленных из базальтопластика на экспериментальной технологической линии НПО «Стеклопластик» по «протяжной» технологии.

Результаты исследований диффузионной проницаемости щелочей в материале связей из базальтопластика и прогнозного расчета их деструкции показали, что срок эксплуатации таких связей в наружных стеновых панелях при достаточной морозостойкости и водонепроницаемости бетона наружного слоя применительно к конкретному климатическому региону может быть не менее 50 лет. Это достаточно, учитывая, что гарантированный срок службы утеплителя, применяемого в стеновых панелях – пенополистирола, не превышает 50 лет.

Дальнейшими экспериментами было установлено, что тепловлажностная обработка бетона с базальтопластиковыми связями по традиционному заводскому режиму при t_из=80°C, а также многократное (до 50 циклов) замораживание при t=-20°C и оттаивание не влияют на прочность связей в бетоне.

В результате исследований влияния напряженного состояния базальтопластиковых связей на их щелочестойкость было установлено, что допустимая величина напряжений в связях не должна превышать при их эксплуатации в стеновых панелях ориентировочно 30% от разрушающих в обычных условиях. Соответствующие коэффициенты условий работы приняты при назначении расчетных сопротивлений связей растяжению в рекомендациях по проектированию стеновых панелей.

Далее с применением базальтопластика на эпоксидной смоле были разработаны различные технические решения композитных связей с различным конструктивным решением анкерующих устройств (рис. 1). Опытные партии таких связей были изготовлены на экспериментальной линии ЗАО «МАТЕК», и выборочные их образцы с различными диаметрами силового стержня были испытаны на анкеровку в тяжелом бетоне классов по прочности на сжатие В12,5–В20.

Рисунок 1. (увеличить) Конструктивные решения гибких базальтопластиковых связей с различными формами анкерующих частей. Параметры связей D=5–10 мм, L=200–500 мм, a=45–900

Результатами испытаний были установлены:

- оптимальный вариант анкерующего устройства – цилиндрическо-конусное утолщение силового стержня;

- минимальная глубина заделки анкерующего устройства в бетоне – 50 мм;

- минимальный класс бетона по прочности на сжатие, обеспечивающий требуемую анкеровку – В15;

- прочностные и деформативные характеристики анкеровки, необходимые для ее расчета и для проектирования панелей с гибкими композитными связями.

Разработаны методики расчета прочности связей и анкеровки их в бетоне, а также методики расчетов усилий и деформаций в связях при действии сдвигающих сил в стеновой панели.

На основе результатов расчетов прочности и деформативности трехслойных панелей с гибкими композитными связями осуществлено проектное конструирование связей, на которые получен патент № 2147655 (государственная регистрация от 12 октября 1999 года) и разработаны рабочие чертежи опытной партии панелей (рис. 2).

На конвейерных линиях завода стеновых конструкций ГУП «Бекерон» отработана технология изготовления трехслойных наружных стеновых панелей серии БНС 2-4 (для школ и детсадов) с плитным утеплителем ПСБ-С и гибкими композитными (базальтопластиковыми) связями. При этом определены последовательность операций технологического процесса и параметры режимов бетонирования наружных слоев панелей с учетом обеспечения требуемой анкеровки в них композитных связей. Разработаны рекомендации по технологии изготовления трехслойных панелей наружных стен с гибкими композитными связями.

Рисунок 2. (увеличить) Несущая наружная стеновая панель с гибкими металлическими и композитными (базальтопластиковыми) связями

Установлена существенно меньшая трудоемкость монтажа композитных связей при подготовке панелей к формованию по сравнению с традиционными вариантами панелей: исключается трудоемкий процесс излишнего раскроя и укладки в форму панели плитного утеплителя, необходимый при устройстве железобетонных дискретных связей (шпонок) или при установке гибких металлических двухпетлевых связей. В связи с этим исключаются возможные протечки бетонной смеси в дополнительные швы между плитами раскроя и в местах примыкания их к шпонкам при формовании панелей, следовательно, повышаются качественные характеристики панели и обеспеченность ее теплозащитных свойств.

По рабочим чертежам МНИИТЭП-НИИЖБ изготовлена опытная партия панелей с композитными связями для испытаний на силовые воздействия и фрагмент панели для испытаний на температурно-климатические воздействия.

Испытаниями фрагмента трехслойной стеновой панели с гибкими композитными (базальтопластиковыми) связями, выполненными в климатической камере НИИСФ, в комплексе с выполненными теплотехническими расчетами установлено следующее:

- искажения температурного поля на поверхностях фрагмента в зонах расположения гибких композитных связей не установлено, что свидетельствует о практическом отсутствии теплопотерь через силовые стержни связей в панели;

- расчетное значение коэффициента теплотехнической однородности фрагмента панели с базальтопластиковыми связями составляет r=0,999 против r=0,84 у аналогичных стеновых панелей с железобетонными шпонками и r=0,95 у панелей с гибкими металлическими связями; следовательно, имеется преимущество разработанной конструкции панели с композитными связями в более высоком, соответственно на 16% и 5%, сопротивлении теплопередаче.

Основной целью испытаний опытных образцов разработанных панелей на силовые воздействия была проверка возможности гибких связей нового типа (композитных), их анкерующих устройств обеспечить необходимую прочность подвески наружного слоя панели и ограниченное его смещение относительно внутреннего несущего слоя.

Панель испытывали на стенде НИИЖБ в горизонтальном положении с опиранием на внутренний несущий слой, который крепили к силовой плите стенда. К ней же крепили упоры, препятствующие смещению стенда при нагружении, а также упоры для домкратов, загружавших наружный ограждающий слой панели. Нагружение осуществляли поэтапно тремя 5-тонными домкратами по оси простенков и посередине панели. При загружении смещение наружного и внутреннего слоев панели измеряли в четырех сечениях по толщине панели.

В результате проведенных испытаний было установлено, что прочность и трещиностойкость испытанных конструкций удовлетворяет требованиям ГОСТ 8829-85 «Изделия железобетонные сборные. Методы испытаний и оценки прочности, жесткости, трещиностойкости», а также требованиям ЦНИИЭПжилища и НИИМосстроя по взаимному смещению наружного и внутреннего слоев трехслойных панелей с гибкими связями (т. е. менее 2 мм).

По итогам выполненных исследований разработаны следующие нормативно-рекомендательные документы, необходимые для проектирования трехслойных панелей наружных стен с гибкими композитными связями, а также для создания опытно-промышленной базы по изготовлению таких связей и по освоению производства панелей с использованием этих связей:

- рекомендации по проектированию трехслойных панелей наружных стен с гибкими композитными связями;

- технические решения трехслойных панелей наружных стен с гибкими композитными связями;

- технические условия на гибкие композитные связи (опытные партии);

- технические условия на трехслойные панели наружных стен с композитными связями (опытные партии).

В 2001 году разработан альбом рабочих чертежей на наружные трехслойные стеновые панели с базальтопластиковыми связями для освоения их массового выпуска на предприятиях стройиндустрии Москвы.