Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследования 012
1.1. Организационно-технологические системы строительства монолитного домостроения 012
1.2. Современные тешюэффективные неоднородные наружные конструкции зданий и их анализ 019
1.3. Анализ методов теплотехнического расчета неоднородных конструкций наружных стен зданий 034
1.4. Цели и задачи исследования 041
Глава 2. Теоретическое исследование технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене по теплотехнической эффективности 042
2.1. Исследование эффективности технологических процессов устрой ства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене по теплотехническим показателям 043
2.2. Исследование эффективности технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов, разделённых воздухонепроницаемыми мембранами, в монолитной наружной стене по теплотехническим показателям 049
2.3. Исследование эффективности технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов, заполненных теплоизоляционным материалом, в монолитной наружной стене по теплотехническим показателям 052
2.4. Результаты эффективности технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене по теплотехническим показателям 062
Глава 3. Экспериментальное исследование теплотехнического качества эффективности технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене 064
3.1. Методика экспериментальных исследований теплотехнического качества эффективности технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене 064
3.2. Экспериментальное исследование теплотехнического качества эффективности технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной стене 071
3.3. Результаты исследований теплотехнического качества эффективности технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене 083
3.4. Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований эффективности теплотехнического качества технологи ческих процессов по устройству вертикальных цилиндрических каналов в монолитной наружной стене 088
Глава 4. Технический регламент по технологии и ограниза-ции возведения монолитных наружных стен с вертикальными каналами 095
4.1. Рекомендации на производство работ по возведению керамзито-бетонных монолитных наружных стен с вертикальными цилиндриче скими каналами, заполненными полистиролбетоном 095
4.1.1. Рекомендации на производство работ по технологии монтажа опалубки и арматуры 098
4.1.2. Рекомендации на производство работ по технологии монтажа и демонтажа пустотообразователей 101
4.1.3. Рекомендации на производство работ по технологии бетонирования монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, заполняемыми полистиролбетоном 110
4.1.4. Рекомендации на производство работ по технологии демонтажа опалубки 117
4.2. Экспериментальное исследование технологических процессов возведения керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными щшиндрическими каналами, заполненными полистирол-бетоном 119
4.3. Проектирование поточных методов производства работ по возведению керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, заполненными полистиролбетоном.. 127
4.4. Результаты разработанных технологических решений по возведению керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, заполненными полистиролбетоном 142
Глава 5. Экономическое обоснование технологического решения по возведению монолитных наружных стен с вертикальными каналами. перспективы даль нейших исследовании 146
5.1. Экономическое обоснование технологического решения по возведению керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, заполненными полистиролбетоном... 146
5.2. Перспективы дальнейших исследований 152
5.3. Результаты экономического обоснования и перспектив дальнейших исследований 154
Заключение 156
Литература 158
Приложение
- Современные тешюэффективные неоднородные наружные конструкции зданий и их анализ
- Исследование эффективности технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов, разделённых воздухонепроницаемыми мембранами, в монолитной наружной стене по теплотехническим показателям
- Экспериментальное исследование теплотехнического качества эффективности технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной стене
- Экспериментальное исследование технологических процессов возведения керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными щшиндрическими каналами, заполненными полистирол-бетоном
Введение к работе
Актуальность темы. Монолитное домостроение занимает значимое место в строительной отрасли. Разработаны технологии возведения малоэтажных и многоэтажных зданий с применением тяжелых и лёгких бетонов. Но для климатических условий Сибирского региона керамзитобетонные монолитные наружные стены в однородном их исполнении не соответствуют условиям энергосбережения, а существующие технологические решения возведения монолитных керамзитобетонных стен зданий недостаточно эффективны. В связи с этим принятые новые нормативные документы по тепловой защите зданий.
Актуальность направлений исследования в диссертационной работе обусловлена необходимостью совершенствования технологических решений при возведении монолитных керамзитобетонных наружных стен зданий с повышенными теплозащитными свойствами на основе реализации идеи выполнения в этих стенах вертикальных щвдиндрических каналов. На первом этапе работы была исследована эффективность технологии возведения монолитной керамзитобетонной стены с вертикальными каналами без их заполнения эффективным утеплителем. Установлено, что такая технология применима для южных районов России, поскольку существенно снижается вес конструкции, но вследствие конвективного теплообмена внутри каналов тепловая защита зданий повышается незначительно даже при наличии воздухонепроницаемых мембран. Дальнейшие исследования были сосредоточены на обосновании и разработке технологии возведения керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, заполненными эффективным теплоизоляционным материалом и контроле однородности реальных потерь тепла с целью исключения «мостиков холода».
Работа выполнена в рамках тематических планов научно-исследовательских работ Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.
Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованной технологии возведения теплоэффективных монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, обеспечивающей экономию топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации зданий.
Современные тешюэффективные неоднородные наружные конструкции зданий и их анализ
Современная теория и методика повышения тегшозащиты жилых зданий основывается на результатах исследований в области строительной, теплофизики, материаловедения, строительных конструкций, технологии и организации строительства, выполненных в РААСН, Госстрое РФ, ЦНИИ-ОМТП, НИИСФ и других организациях. Этому способствовали работы В.Н. Богословского, А.В. Лыкова, М.А. Михеева, С.С. Кутателадзе, К.П. Фокина и многих других ученых [20-27].
В настоящее время существует большое количество различных видов строительных конструкций, призванных обеспечивать необходимый уровень теплозащиты зданий. Анализ изобретений последних лет в этой области позволил установитьj что наиболее распространенными- являются- различные типы неоднородных многослойных конструкций наружных ограждений.
Специалистами Германии исследовались наружные стены [28], где устройство воздушной прослойки является одним из основных приемов теплоизоляции. Прослойку используют в конструкции- окон, витражей, наружных стен и перекрытий.
Преимуществом этих стен является быстрое удаление строительной влаги, предупреждение образования талой влаги, улучшенная теплозащита в летний период (рис. 1.2.).
В работах X. Дитриха [29] говорится, что наружная стена старого здания, обшитая досками и имеющая вентилируемую воздушную прослойку, при хорошей циркуляции воздуха прослойки перепады температуры на поверхности за воздушной прослойкой и температурой наружного воздуха составляет более 8 С. Воздушные прослойки применяют при кладке кирпичных стен [30].
Теплозащитные качества наружных стен с цилиндрическими пустотами, заполненные эффективным утеплителем исследовались инженером Бадьевым В.М. в 1979 году [31]. Была предложена конструкция наружной стеновой панели заводского изготовления из легкого бетона с вертикальными часто расположенными цилиндрическими пустотами, которые заполнялись безусадочным фенольным пенопластом марки ФПБ (рис. 1.3).
Наружная стеновая панель с цилиндрическими пустотами: а - расстояния между центрами пустот; б - толщина панели, d - диаметр пустот
Специалисты Германии [32] отмечают необходимость оптимального выбора теплоизолирующего материала путем повышения однородности теплоизоляции по толщине. Это достигается применением воздушных прослоек вместо многослойного утеплителя. Патент В.В. Пуят [33], предлагает бесканальные теплопроводы, состоящие из металлической трубы с теплоизолирующим покрытием, воздушного зазора и наружной оболочки из водонепроницаемого материала. Цель изобретения - уменьшение тепловых потерь. А.П. Махоткин [34] - это новые конструкционные материалы, изготавливаемые в виде крупноразмерных, многослойных панелей, которые состоят из плоских обшивок и сотового заполнения. Сотовые элементы, соединенные между собой посредством клея, образуют внутри панелей замкнутые воздушные полости (ячейки) различной формы. П.В. Монастырев [35] разработал конструктивно-технологические решения теплозащиты стен с созданием вентилируемых фасадов зданий, использованием облицовочных панелей из архитектурного бетона. Патент Л.А Малышева [36], в котором наиболее эффективным видом тепловой изоляции является экранная изоляция, установка экрана-щита или экрана-навеса позволила бы значительно снизить нежелательные теплопотери в летнее время. Ю.А. Табунщиков[37] предла гает плоское совмещенное покрытие со сплошной вентилируемой прослойкой. Применение вентилируемых покрытий не позволяет отказаться от утолщения утеплителя по сравнению с расчетами на зимние условия. Однако это утолщение в 2-3 раза меньше по сравнению с неэкранированным покрытием. В.Г. Шолохов [38] разработал совмещенное покрытие с вентилируемыми каналами в толще однослойной панели из ячеистого бетона. Каналы сквозные. Устройство каналов экономически оправдано в покрытиях всех типов отапливаемых зданий, для которых нормируемый СНиП температурный период t = 4.0С. С.А Хамидов [39] предлагает эффективную конструкцию стен с экранами и трансформируемой прослойкой, работающей как вентилируемая летом и как замкнутая зимой. Предлагаемая конструкция стены на 10% дороже, чем базовый вариант, но позволяет экономить 15% топлива зимой и 13% летом. Существует ряд патентных разработок А.Б. Самсонова, Г.Н. Львова [40]. Это навесная стеновая панель, в теле которой образованы полости, с целью улучшения теплофизических качеств, снижения веса и повышения технологичности изготовления (рис. 1.4).
Исследование эффективности технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов, разделённых воздухонепроницаемыми мембранами, в монолитной наружной стене по теплотехническим показателям
Теплотехническая эффективность технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов разделённых воздухонепроницаемой мембраной, в монолитной наружной» стены, определяется расчетом приведенного термического сопротивления монолитной наружной стены с вертикальными каналами, разделенными воздухонепроницаемой мембраной. Расчет идентичен расчету приведенного термического сопротивления конструкции монолитной наружной стены с вертикальными цилиндрическими каналами, за исключением используемых формул (2.5) и (2.11). Формула (2.5) принимает несколько другой вид: В формуле (L1IX Результаты расчёта приведенного термического сопротивления монолитной наружной стены с вертикальными цилиндрическими каналами, разделёнными воздухонепроницаемой мембраной, в зависимости от диаметра Рассмотрение представленных графиков- показывает, что технологические процессы устройства вертикальных цилиндрических каналов диаметром от 100 до 180 мм разделённые воздухонепроницаемой мембраной, в-монолитной наружной стене улучшают теплотехнические показатели наружной ограждающей конструкции в сравнении с теплотехническими показателями наружной ограждающей конструкции, полученной в-результате-технологии возведения монолитной наружной стены без каналов. Проанализировав данные зависимости, можно отметить, что установка мембраны положительно- влияет на теплотехнические характеристики конструкции лишь при диаметрах каналов от 100 до 180 мм, причём с уменьшением расстояния, между каналами, эти- показатели улучшаются,-что в. среднем составляет 0,6...2,6%. Устройство каналов- диаметром 225 мм, разделенных воздухонепрошг-цаемой мембраной при min расстоянии b = 275 мм (приведенное термическое сопротивление- конструкции составляет R =-1,153 м2-с/Вт), ухудшает теплозащитные свойства стены в сравнении с теплозащитными свойствами базового варианта (монолитная- наружная- керамзитобетонная стена). Установлено, что такая технология применима, поскольку существенно снижается вес конструкции, но вследствие конвективного теплообмена внутри каналов- тепловая защита- зданий, повышается, незначительно даже при. наличии воздухонепроницаемых мембран.
Теплотехническая эффективность технологических процессов устройства вертикальных цилиндрических каналов с последующим заполнением теплоизоляционным материалом в монолитной наружной стене, определяется расчетом приведенного термического сопротивления монолитной наружной стены с вертикальными каналами, заполненными теплоизоляционным материалом. Расчет идентичен расчету пргшеденного- термического сопротивления конструкции монолитной наружной стены с вертикальными цилиндрическими каналами,, за.исключением, применяемой, формулы. (2,5),-которая будет иметь вид: Результаты расчёта приведенного термического сопротивления: наружной монолитной конструкции стены с вертикальными цилиндрическими каналами диаметром 100 мм, заполненными утеплителем, расстояние между каналами от 225 до 310 мм, приведены в табл.2.3. Расчетные параметры монолитной наружной стены: 5ст = 0,67 м; 5} = 0,4114 м, 52 = 0,0886 м; 8з = 0,170 м. Результаты расчёта приведенного термического сопротивления наружной монолитной конструкции стены с вертикальными цилиндрическими каналами диаметром 180 мм, заполненными утеплителем, с расстоянием между каналами" от 225 до 310 мм приведены в табл:2.4:. Расчетные параметры монолитной наружной стены: 8ст = 0,67 м; 8i = 0,3405 м, 52 = 0,1595 м; 8з = Результаты расчёта приведенного термического сопротивления наружной монолитной конструкции, стены, с вертикальными цилиндрическими- КЭг налами диаметром 225 мм, заполненными теплоизоляционным материалом, расстояние между каналами от 225 до 310 мм приведены в табл.2.5. Расчетные параметры монолитной наружной стены: бет = 0,67 м; 5i = 0,3006 м, 52 - 0,1996 м;53 = 0,170 м. Анализ результатов расчета термического сопротивления монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами, заполненными теплоизоляционным материалом с теплопроводностью Ayr = 0,05 Вт/(м-С), представлен на рис.2.5". Как видно из рисунка 2.5, технология устройства вертикальных цилиндрических каналов в наружных монолитных стенах с последующим заполнением их теплоизоляционным материалом с теплопроводностью X = 0,05 Вт/(м-С), независимо от диаметра каналов- и расстояния между каналами, улучшает теплозащитные свойства.
Экспериментальное исследование теплотехнического качества эффективности технологии устройства вертикальных цилиндрических каналов в монолитной стене
Экспериментальные исследования теплозащитных свойств неоднородной керамзитобетонной стены проводились с ноября 1998 по 2004 год [95-98]. В монолитном 15 этажном жилом доме (рис. 3.4), возводимом ОАО «Стройгаз» по ул. Попова в г. Барнауле, для проведения эксперимента были выбраны стены угловых квартир, ориентированные на северо-восток. При возведении дома но оси Я на 1-4- этаже в осях 8-11 монолитные наруж ные стены перфорированы вертикальными цилиндрическими каналами без утепляющего материала. На 15 этаже в осях 8-11 монолитные наружные стены перфорировались вертикальными цилиндрическими каналами, которые разделялись по вертикали воздухонепроницаемой мембраной.
Схема устройства вертикальных щшиндрических каналов в керамзитобетонной монолитной наружной стене на 14-ом и 15-ом этажах представлена на рисунке 3.5.
При возведении керамзитобетонной наружной монолитной стены из бетона класса В 12, 5 плотностью 1400 кг/м формировались вертикальные цилиндрические каналы (рис.3.6) в стене посредством пустотообразователей (рис. 3.7) с последующим их удалением, каналы располагались относительно друг друга с эксцентриситетом, равным 0,075 м, на расстоянии не менее 0,05 м, что обеспечивало пространственную жесткость конструкции наружной монолитной стены в соответствии требованиям СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции». Подъём и установка пустотообразователей осуществлялась при помощи крана после монтажа внутренних блок-форм опалубки одновременно с вязкой арматуры. Далее производился монтаж наружных блок-форм крупнощитовой опалубки и послойное бетонирование наружной стены керамзитобетоном. Демонтаж пустотообразователей производился после набора прочности керамзитобетоном (8% от R?8) краном с применением траверсы. На 15 этаже в каналы устанавливались вертикальные воздухонепроницаемые мембраны (рис. 3.8).
Исследования теплозащитных свойств монолитных неоднородных наружных стен здания тіроводились спустя: 2 месяца- после возведения стен. Для сравнения теплозащитных свойств также исследовались однородные керам-зитобетонные. монолитные-наружные стены толщиной 670 ммна 14-ом и= 15-ом этажах по оси Я между осями 12-15.
В каждой серии испытаний измерения проводились в течение не менее 2 суток, данные брали через каждые 15 минут. Параллельно измерялись температурные поля термопарами, заложенными при изготовлении стен, 3 раза в сутки. В результате измерений следовало, что при стационарном, расчетном термическом сопротивлении Р-к по сечению стены показания датчика хаотично изменялись. Для наиболее точного нахождения"теплового потока за относительно короткий промежуток времени необходимо определить область в толще стены, которая соответствует зоне стабилизации теплового потока. В работе [103] исследовано изменение теплового потока, где поток за 2 суток возрастал до стационарного значения, незначительно превышал его, а затем плавно снижался до его величины. Область стабилизации теплового потока расширялась от центра констрз кции в направлениях к нарз жной и внутренней поверхностям стены. Термическое сопротивление, рассчитанное от измеренного температурного поля, плавно изменялось в зависимости от температур. Схема размещения термопар в-стене на 14-ом и 15-ом этажах приведена на рисунке 3.9.
Схема размещения термопар в стене на 14-ом и 15-ом этажах:! — преобразователь теплового потока; 2 — верхний уровень расположения термопар; 3- средний уровень расположения термопар; 4 - нижний уровень расположения термопар; 5 - внутренняя часть стены; 6 - вертикальный цилиндрический канал; 7 — наружная часть стены; 8 — вертикальная воздухонепроницаемая мембрана
При использовании отдельных преобразователей и милливольтметров для измерения э.д.с. плотности теплового потока, проходящего через преобразователь, q, Вт/м2 рассчитывается по формуле: вались для измерения температурных полей по толщине стены в плоскости I, II расположения вертикальных цилиндрических каналов (24 штук) (рис.3.10, 3.11).
Экспериментальное исследование технологических процессов возведения керамзитобетонных монолитных наружных стен с вертикальными щшиндрическими каналами, заполненными полистирол-бетоном
Технологический регламент содержит следующие процессы: 1) монтаж внутренней конструкции опалубки осуществляется по высоте или ярусу бетонируемой конструкции в зависимости от применяемой опалубки; 2) монтаж пустотообразователей производится краном с применением траверсы на комплект пустотообразователей в зависимости от размеров стены и подается на место монтажа. Комплект пустотообразователей устанавливается в металлический каркас, сваренный (вязка) из арматуры (проволоки) диаметром 6 мм. В все это позволяет фиксировать пустотообразователи от сдвига. Для устройства каналов применяется оснастка из труб, сделанных из полиэтилена низкого давления, общее количество пустотообразователей устанавливается из расчета на 1 погонный метр длины стены, исходя из диаметра пустотообразователя. Параллельно с монтажом пустотообразователей производится монтаж и вязка плоских каркасов; 3) монтаж наружной конструкции опалубки осуществляется по высоте или ярусу конструкции в зависимости от применяемой опалубки; 4) бетонирование наружных стен производится керамзитобетоном класса В 12,5 толщиной 670 мм методом «кран-бадья» с использованием поворотного бункера; 5) демонтаж пустообразователей производят краном с применением траверсы, после набора прочности керамзитобетоном (8 % от R2g), что обеспечивает неизменяемость геометрических параметров каналов при извлечении; 6) бетонирование вертикальных каналов производится методом «вертикально перемещаемой трубы», с применением бетонолитной трубы, без уплотнения, для равномерной укладки полистиролбетонной смеси марки М5; 7) демонтаж опалубки, осуществляется краном после достижения прочности бетоном 3,5 МПа, что является достаточным для демонтажа и выполнения последующих монтажных работ. На рисунках 4.7 - 4.12 представлена последовательность выполнения в построечных условиях технологических процессов по предлагаемой технологии возведения монолитных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами заполненными полистиролбетоном.
Результаты исследований позволили решить следующие задачи: обеспечение монолитности и непрерывности возводимой конструкции; возведение несуще-ограждающих конструкций стен при полной механизации сопутствующих технологических операций; возможности увеличения теплозащитных свойств монолитных наружных стен, в сравнении с базовым вариантом, до 65%; устройство вертикальных цилиндрических каналов в монолитных конструкциях позволяет снизить расход бетона и вес конструкций до 25% и уменьшить расход тепловой энергии на отопление во время эксплуатации зданий.
В процентном соотношении технологические переделы по вариантам производимых работ составили: 1) 1 вариант - опалубочные работы 41%, армирование 11%, бетонирование 26%, демонтаж опалубки 22%; 2) 2 вариант - опалубочные работы 42%, армирование 8%, бетонирование 25%, демонтаж опалубки 25%. Нагрузка на 1м1 наружной стены из керамзитобетона толщиной 670 мм составляла 3,785 т. Нагрузка на 1м1 наружной стены из керамзитобетона толщиной 670 мм с вертикальными каналами заполненными полистеролбетоном составляла 3,106 т. Нагрузка сім1 наружной стены из керамзитобетона с вертикальными каналами заполненными полистиролбетоном, меньше на 679,1кг, что составляет уменьшение нагрузки на 1 м1 фундамента с одного этажа на 19,94%. При устройстве свайных фундаментов возможно небольшое уменьшение объёма свай, уменьшение армирования. Поэтому необходим расчет в каждом конкретном случае. При устройстве монолитной бетонной подушки под всё здание, возможно уменьшение объёма бетона до 25%. Конструкция и оснастка пустотообразователей простота в устройстве и эксплуатации, при этом возможно многократное их использование. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ теплозащиты наружной монолитной стены» №2008132532 от 06.08.2008 г. Технологический регламент на возведение керамзитобетонных наружных стен с вертикальными цилиндрическими каналами прошел апробацию в строительных организациях г. Барнаула, в ОАО «Стройгаз» при возведении 9-го и 10-го этажей десятиэтажного жилого здания, также, готовится оснастка для строительства малоэтажных зданий ЗАО проектно-производственной строительной фирмы «Алтайэнергожилстрой», что документально подтверждено приложением 3. Технологический круг (рис. 4.13) показывает взаимосвязь между теплозащитными характеристиками зданий, рациональностью вариантов применения методов возведения монолитных наружных стен, а также определения параметров технологических процессов, что существенно сужает поиск необходимого решения. На практике возникает необходимость выбора проектных решений по нескольким частным критериям [121-126]. В качестве критериев оптимизации проектных решений при производстве бетонных работ приняты следующие показатели: продолжительность работ (дни), трудоемкость процесса (чел-см./м3), себестоимость продукции (руб/м3).
