Содержание к диссертации
Введение
1. Направление применения изделий большого формата в строительстве . 15
1.1. Развитие кирпичного строительства в дореволюционный период. 18
1.2. Развитие камней большого формата из керамики в настоящее время 26
1.3. Из истории развития керамической продукции (1950-1960 г.) 31
1.4.. Изучение возможности получения растворных швов между камнями с воздушными прослойками. 40
1.5. Выводы 51
2. Исследование сырьевых материалов, используемых для производства камней большого формата 58
2.1. «Никольское» месторождение. 58
2.1.1. Изучение физико-химических свойств глинистого сырья 58
2.1.2. Изучение сушильных и обжиговых свойств глинистого сырья Никольского месторождения 62
2.1.3. Лабораторно-технологические испытания глинистого сырья Никольского месторождения по методу пластического формования 66
2.1.4. Выводы по результатам лабораторно-технологических исследований 71
2.2. «Красноборское» месторождение 73
2.2.1: Свойства глинистого сырья 73
2.2.2. Изучение сушильных и обжиговых свойств глинистого сырья Красно-борского месторождения 81
2.2.3. Лабораторно-технологические испытания глинистого сырья Красно-борского месторождения по методу пластического формования 84
2.2.4: Выводы по результатам лабораторно-технологических исследований91
2.3. Сырьевая база. 92
2.3.1. Основные требования к сырью 92
2.3.2. Основные свойства кембрийских глин месторождений «Красный бор» и «Чекаловское» 100
2.3.3. Использование различных добавок в производстве поризованных керамических изделий 101
2.3.4. Основные характеристики камней керамических крупноформатных... 122
2.3.5.0писание технологического процесса 126
2.3.6. Выводы 135
3. Комплексное исследование теплотехнических и влажностных показателей крупноформатных керамических камней из пористой керамики. картина пустотности : 138
3.1. Сорбционная влажность поризованной керамики. 138
3.2. Исследование теплообмена наружных кирпичных стен жилых зданий и нормирование теплозащитных качеств 148
3.2.1. Исследование теплопроводности кладки из крупноформатных камней и определение теплозащитных качеств кладки в сочетании с лицевым кирпичом: ...158
3.2.2. Исследование воздухопроницаемости наружной стены из крупноформатных керамических камней 164
3.2.3; Сопротивление паропроницанию кладки из крупноформатного керамического камня и лицевого пустотелого кирпича 171
3.2.4. Теоретические основы решения задачи температурно-влажностного режима наружного ограждения из пустотелых крупноформатных керамических камней. 177
3.2.5: Выводы 186
3.3. Исследование воздухопроницаемости ограждающих конструкций и воздухообмена в зданиях 188
3.3.1 Методика проведения исследований (основные расчетные соотношения). 190
3.3.2. Обоснование расчетных характеристик объектов исследования 193
3.3.3. Выводы 197
3.4. Картина пустотности и геометрии. 198
4. Прочностные характеристики. 206
4.1. Исследование прочности деформативности армированной кладки из камней поризованных (прямоугольные пустоты) 206
4.2. Выводы 240
4.3. Исследование физико-механических свойств поризованных камней (ромбовидные пустоты) 244
4.4. Выводы 270
4.5. Исследование напряженно-деформированного состояния кладки из. крупноформатных керамических камней при действии местных и внецентренных приложений нагрузок. 271
4.6. Выводы. 323
5. Механические свойства керамики . 325
5.1. Некоторые соображения о прочностных расчетах стен из керамических блоков 325
5.2. Опытные исследования 346
5.3. Определение коэффициента Пуассона для керамической составляющей блоков. 358
5.4. Результаты испытаний фрагментов кладки из 2-х и 3-х блоков; 368
5.5. Выводы по главе и предложения 373
6. Оценка качества поризованной керамики: 377
6.1. Экономическое сравнение вариантов видов кладки с камнями из поризованной керамики 377
6.2. Преимущества стен из поризованных камней 384
Заключение 395
Список литературы. 398
Приложение 419
- Из истории развития керамической продукции (1950-1960 г.)
- Изучение сушильных и обжиговых свойств глинистого сырья Никольского месторождения
- Исследование воздухопроницаемости наружной стены из крупноформатных керамических камней
- Исследование физико-механических свойств поризованных камней (ромбовидные пустоты)
Введение к работе
Энергопотребление зданий» зависит от уровня теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций, объемно-планировочного решения, системы вентиляции и; оснащения инженерным оборудованием. Роль теплозащитных: качеств наружных ограждающих конструкций в энергетическом балансе здания при эксплуатации, как правило, постоянна во времени. Требования к повышению уровня теплоизоляции наружных стен, выполняемые недолговечными материалами, входят в противоречие с планируемым сроком службы, межкапитальными ремонтными сро ками, огнестойкостью, конструктивными и прочностными свойствами, предъявляемыми к ограждениям, а также с архитектурным стилем здания.
Роль же отопительной, вентиляционной;систем контрольной и регулировочной аппаратуры за отпуском тепла, а также теплообменников, отбирающих тепло от выбрасываемого в атмосферу загрязненного воздуха, переменна. Она может существенно снижаться в результате естественного износа и бесхозяйственности и, наоборот, повышаться при замене на более совершенную систему и улучшения культуры технической эксплуатации. Недооценка; значимости перечисленных техниче • ских систем и эксплуатационных факторов в энергосбережении приводит к чрезмерному превышению фактического удельного расхода тепла на отопление над расчетным.
Устойчивая тенденция роста стоимости невозобновляемых топливно- энергетических ресурсов приводит к необходимости повышения теплозащиты зданий. Вместе с тем увеличение термического сопротивления отдельных элементов оболочки здания является условием необходимым, но не достаточным для решения проблемы энергосбережения в строительстве. Требуется комплексный подход, учи- щ тывающий, что.уровень энергетической.эффективности здания зависит от архитек турно-планировочных решений, компоновки здания; особенностей природно-климатических воздействий, режима работы систем отопления и • кондиционирования, уровня автоматизации систем поддержания микроклимата.
Системный подход к проектированию энергоэкономичных зданий предполагает рассмотрение здания как единой энергетической системы, обеспечивающей комфортные условия в помещениях.
Современные теплотехнические нормы требуют существенного увеличения уровня теплозащиты проектируемых и реконструируемых зданий.
Повышение теплозащиты зданий до уровня новых норм требует значительных капиталовложений.
Актуальность работы. Экономия энергетических ресурсов рассматривается в настоящее время развитыми странами как важнейшая национальная экологическая и экономическая проблема. Мероприятия, обеспечивающие энергосбережение, имеют более высокую рентабельность по сравнению с наращиванием энергоресурсов. Рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором успешного развития керамической промышленности в условиях проводимой экономической реформы и неблагоприятной экологической обстановки в России и странах СНГ. В связи с этим проблема применения в керамических материалах техногенного сырья приобретает особую актуальность.
Большой вклад в исследование рассматриваемой проблемы внесли: В.Н. Богословский, П.И: Боженов, П.П. Будников, Ю.М. Бутт, В.В.Инчек, П.Г.Комохов, С.Ф. Коренькова, А.В. Лыков, Л.Л. Масленникова, В.В. Прокофьева, Л.Б. Сватовская, В.Р. Хлевчук, Н.Г. Чумаченко и многие другие.
Анализ структуры и потенциала энергосбережения в строительстве жилых и; общественных зданий показал, что наибольший эффект энергосбережения может быть получен от повышения теплозащиты ограждающих конструкций (рис. 1).
техника. Нормы проектирования» существенно повышены требования к величине приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен, приведённые в таблице СНИП П-3-79 1а и 16 из соображений энергосбережения.
Отечественные нормативные теплотехнические требования к наружным ограждающим конструкциям зданий существенно приблизились к нормативным требованиям западных стран:
В Канаде - R°np = 2.5-3.7м20 С/Вт, в Норвегии и Швеции - RTp. = 4.0 м20 С/Вт для стен и 0.48-О.бм20 С/Вт для окон.
Для климатических условий Москвы и Санкт-Петербурга в настоящее время приведённое сопротивление теплопередаче принято в пределах Ronp 3,1м20 С/Вт, что является оптимальным для условий энергосбережения и видно из данных д.т.н. Ананьева А.И. (рис.2).
Существенное повышение требуемого приведённого сопротивления теплопередаче наружных стен более чем в 2-3 раза, обусловило прекращение строительства зданий из однослойных лёгкобетонных панелей, наружных стен из деревянного брусаиз лёгкобетонных-блоков и кирпичной кладки из.глиняного или силикатного кирпича без применения высокоэффективных теплоизоляционных материалов (ми-нераловатные плиты или пенополистерол). При этом установлено, что только легкие высокоэффективные теплоизоляционные материалы с плотностью не более 50-100 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности X 0,07 Вт/м°С, энергоёмкость ограждающих конструкций, применение которых не превышает 10-15(кг у.т.)/м2, способны оку пить энергозатраты, потраченные на их производство,, ив дальнейшем приносить экономию.
Очевидные трудности и экономическая . необоснованность, перехода; на і новые теплотехнические нормы, с одной стороны, и необходимость комплексного учета всех параметров и факторов, влияющих на тепловые потери вновь строящихся и; существующих зданий, с другой стороны, привели, к необходимости принципиально новых подходов к теплотехническому нормированию - в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Новые І подходы. заложены в ряде территориальных строительных норм; которые одновременно обеспечивают равнозначный энергосберегающий? эффект, предусмотренный федеральными нормами, и • представляют проектировщику определенную свободу в выборе технических решений для обеспечения энергосбережения.
При этом территориальные нормы отличаются тем, что в них, наряду с федеральными требованиями, заложен новый, альтернативный принцип нормирования. Согласно этому принципу регламентируются требования не к отдельным частям -. здания, определяющим тепловой баланс, а к зданию в целом, исходя из удельного; энергопотребления; приходящегося на единицу его площади или объема:
Таким образом, альтернативный подход к нормированию позволяет задействовать резервы, не используемые ранее и не требующие, как правило, значительных капиталовложений.
Резервами» для экономии невозобновляемых. топливно-энергетических ресурсов в этом случае являются:
- улучшение качества управления микроклиматом с учетом бытовых тепловыделений и солнечной радиации;
- объемно-планировочные и компоновочные решения;
- управление воздухообменом;
- точный учет вклада различных частей оболочки здания в общий тепловой? баланс и устранение теплозащитной неоднородности здания в целом;
- использование ночных тарифов на электроэнергию и эффектов аккумуляции тепловой энергии;
применение прерывистого отопления в;промышленных, административных и гражданских зданиях;
- использование рекуперативных эффектов и ряд других мер, обеспечи вающих повышение энергоэффективности зданий.
Очевидно, что переход на новые принципы проектирования требует использования научно обоснованных и практически применимых методов расчета. целого комплекса изменяющихся во времени теплотехнических параметров здания.
В основе всех существующих методов расчета тепловых процессов в зданиях лежат хорошо известные физические законы тепло -, массообмена: Однако применение этих законов для расчета: тепловых процессов в зданиях сталкивается с трудностями, носящими порой принципиальный характер.
Здание является сложной геометрической и физической системой, в которой протекает одновременно множество процессов. При этом, с одной стороны, значительная часть исходных данных, необходимых для расчетов, с трудом г поддается определению ив процессе эксплуатации здания подвержена изменениям; носящим мало предсказуемый характер. С другой стороны, приложения законов конвективного и лучистого теплопереноса встречаются с трудностями вычислительного характера (например, отсутствие общих решений задач аэродинамики, недостаточное быстродействие: применяемой в расчетах вычислительной техники). Особые проблемы возникают, когда требуется применить в инженерной практике динамические методы расчета по причине сложности последних.
Цель работы:: научное обоснование изготовления легких поризованных камней с высокими теплоизолирующими свойствами, выполнение из них ограждающих конструкций стен домов с улучшенными условиями проживания. Исследование механических свойств керамики с учетом физической нелинейности, используя различные добавки в шихте и изменяя геометрию пустот. Использование эффективных керамических блоков при монтаже ограждающих конструкций стен как долговечных несущих элементов, применение которых обеспечивает снижение трудоемкости, уменьшение стоимости их производства, создает комфортность проживания и имеет большое народнохозяйственное значение.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
1. Проведено обобщение и анализ непосредственного опыта изготовления, применения изделий большого размера, а также посвященных им публикаций, позволивших сформулировать проблемы, цель и задачи исследования;
2. Установлены требования к глинам; используемым для изготовления поризованных (стеновых) керамических блоков, и зависимости влияния режима обжига.
3. Установлено влияние структуры поризованной.керамики на геометрию и физико-механические и технологические свойства блоков, а также зависимость влияния физико-механических и теплотехнических? свойств керамических поризо-ванных камней на параметры.
4: Выполнены комплексные исследования теплотехнических и влажностных показателей крупноразмерных керамических камней из поризованной керамики, обеспечивающих допустимые санитарные:нормы микроклимата в жилых и общественных зданиях, атакже наружных стен, выполненных из поризованных камней в сочетании с лицевым кирпичом, как долговечных энергосберегающих отвечающих требованиям І экологически • безопасным материалам. Проведены комплексные исследования прочностных и деформативных свойств наиболее рациональных конструктивных: решений наружных стен из: крупноразмерных керамических камней, выполненных из поризованной керамики в сочетании с облицовочным кирпичом. Получены результаты с нормативными требованиями к кладке из обычного керамического кирпича и других видов кладки. Рекомендованы эффективные конструктивные схемы жилых домов различной этажности с наружными стенами из керамических блоков, которые обеспечивают нормативные и расчетные значения основных характеристик кладки, необходимых для проектирования.
5. Проведены исследования механических свойств поризованной керамики с учетом физической нелинейности материалов, камней = и раствора. Разработаны конструктивные решения возведения наружных стен из крупноразмерных керамических камней г из поризованной керамики, предложены обоснования для климатических районов, в которых расширяется строительство жилых домов различной этажности в Москве, С-Петербурге и других крупных промышленных центрах России. Разработаны технико-экономические показатели трудоемкости и других параметров, обосновывающих эффективность предложенных материалов и конструкций наружных стен, выполненных из крупноразмерных поризованных керамических камней.
6. Разработана новая методология расчета и конструирования наружных стен из поризованных крупноразмерных камней с повышенными теплозащитными качествами и:высокой степенью долговечности, не требующая введения в стену дополнительных утеплителей. Обоснована необходимость разработки единой нормативной базы для проектирования новых энергоэкономичных долговечных зданий из поризованной керамики.
Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в работе, выполнены автором с участием: инженерно-технического персонала и ученых НИИСФ (1998-2001 гг.), ВНИИстром им. Будникова, института ГУП ЦНИИСК им. Кучеренко, Ленниипроекта, Лензнипии: Основная часть исследований является результатом научно-исследовательских работ, выполненных;в:соответствии; с программой Госстроя РФ и ЗАО «Победа/Кнауф».
Научная новизна работы заключается в создании-научно-технических основ подбора. состава глины для производства поризованной; керамики. Впервые сформулированы научно-технические основы для выбора рациональных конструкций ; несущих стен из крупноразмерных поризованных керамических: камней с повышенными теплозащитными і качествами/ экологически: безопасными и обладающими высокой степенью долговечности.
Научно обоснован метод оценки • теплотехнической; эффективности крупноразмерных керамических камней в кладке стены.
Впервые определена физическая нелинейность керамики, механические свойства прочности поризованной керамики и исследованы деформативные свойства кладки стен из крупноразмерных керамических камней.
Созданы впервые новые представления о прочностных расчетах стен из поризованной керамики:
Определены требования к крупноразмерным керамическим изделиям нового поколения с целью максимального снижения трудозатрат на стройплощадке, повышения сопротивления-теплопередачи? стен зданий, при обеспечении нормативных требований микроклимата в зданиях.
Разработана методика І экономической оценки повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий с учетом их эксплуатационной влажности;
Практическая." ценность работы? состоит в том, что научные результаты проведенных исследований впервые позволили установить требования к поризо-ванным керамическим блокам/ выявить зависимости влияния прочности с учетом: физической нелинейности. Обобщены исследования влияния структуры;поризованной керамики на физико-механические свойства и деформативные исследования, а также получены зависимости влияния структуры поризованной керамики І на указанные свойства/ их количественные и качественные показатели:
Результаты исследований позволили установить требуемый; уровень теплоизоляции ; наружных ограждающих конструкций в зависимости от оснащения зданий у техническими средствами/ обеспечивающими: контролируемый и регулируемый ре жимы отпуска тепла в помещении, разработать предложения по новому принципу, нормирования теплофизических свойствкладок стен из крупноразмерных штучных элементов. Рекомендован метод оценки теплотехнической эффективности пустотелых керамических:поризованных материалов по значению: их теплопроводности в кладке стены. Использованы, особенности тепло- и: массообменных: процессов на границе теплоизоляционных и конструкционных материалов. При создании5новых конструктивных решений наружных стен разработан комплекс выгорающих добавок ш технология;изготовления крупноразмерных керамических камней, обеспечивающих снижение сорбционных свойств: керамики, повышение пористости, улучшение теплотехнических свойств и долговечности стен. Повышены долговечность и теплоизоляционные качества лицевого слоя наружных: кирпичных стен с применением -игольчатого материала "Волостанит".
Внедрение результатов работы. Основные результаты и предложения диссертационной работы использованы при разработке нормативных документов, к числу которых относятся: Технические условия ТУ 5741-017-03984362-98 "Камни.керамические крупноформатные", Рекомендации г по применению керамических; крупноформатных камней для стен жилых общественных и промышленных зданий, Рекомендации по проектированию наружных стен толщиной 640 мм для жилых и общественных зданий; из керамических изделий ЗАО "Победа/Кнауф" для г. Санкт-Петербурга. Основные теоретические и экспериментальные результаты послужили, физической основой • для развития: комбинированной: кладки: и нашли применение при строительстве домов в п. Пушкино Московской обл.; 2 дома высотой 8 этажей, переулок Красина, 15А г. Москвы 15 этажей; г. Коммунар Ленинградская обл.; г. Санкт-Петербург - Пушкин двух пятиэтажных домов, выполненных по технологии ЗАО "Победа/Кнауф", квартал №12; Шпалерная, д. 52 г. Санкт-Петербург; 2я Советская, д. 17 г. Санкт-Петербург; г. Пушкин квартал 9, корп.5; г. Ломоносов, ул. Федю-нинская; г. Электросталь два дома и детский сад по технологии ЗАО «Победа/Кнауф» и др.
Новые результаты используются при проектировании индивидуальных малоэтажных домов. Новизна: разработанных поризованных керамических камней и конструкция стены подтверждена авторскими свидетельствами и патентами в количестве восьми штук.
На защиту выносятся:
1. Требования к глинам используемых при изготовлении поризованных керамических штучных стеновых блоков с учетом; технологическойfзависимости обжига ь шихты на физико-механические свойства керамических поризованных блоков.
2. Обобщенные опыты и анализ изготовления керамических камней большого размера, а также посвященных ему публикаций, позволивших сформулировать цель и задачи исследований.
3. Зависимости влияния структуры поризованной керамики на геометрию; в соответствии с физико-механическими; и теплотехническими • свойствами керамических поризованных камней.
4: Результаты исследований теплотехнических и влажностных. показателей крупноразмерных керамических камней, их прочностных и деформативных фрагментов; кладки; с выявлением рациональных конструктивных решений наружных стен, выполненных в сочетании . с лицевым: кирпичом, с учетом конструктивных решений t. стен жилых зданий.
5. Методика расчета стен ограждающих конструкций; физическая нелинейность крупноразмерной керамики; исследование деформативных свойств керамики и изделий из нее, выявления конструктивных решений стен из поризованной керамики, технико-экономические обоснования для основных климатических районов строительства разной этажности І в Москве, Санкт-Петербурге и других крупных промышленных! центрах России. Разработаны показатели трудоемкости, стоимости работ и-. других параметров, обосновывающих эффективность предложенных керамических блоков для возведения стен.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работ докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях, семинарах; включая международные:
• научно-техническая конференция ЦНТИ "Рекорд", май 1999г. (Дом офицеров), г. Санкт-Петербург;
• г. Воронеж, пятые академические чтения, "Строительная Академия", 1999г.;
• конференция "Энергосберегающие материалы" СКК, Петербургский строительный центр, 2000г;
• научно-техническая конференция, посвященная 100-летию кафедры "Строительные материалы" ИГИ - ЛИСИ - СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург 2000г.;
• Союзпетрострой, выступление на конференции "Проблемы энергосбережения и пути их решения в строительстве и жилищно-коммунальном комплексе в соответствии с требованиями нормативов", г. Санкт-Петербург, Захарьевская ул., д.31, 2000 г.;
• выступление на всероссийской научно-практической конференции по качеству строительства, г. Санкт-Петербург, 2000г.;
• выступление на первой международной конференции • «Строительная • керамика на пороге XXI века», г. Санкт-Петербург, 2001г.;
• выступление на первом; международном конгрессе по строительству 2001, г. Санкт-Петербург, "Ленэкспо", Гавань;
•выступление на конференции "Реконструкция, реставрация, архитектура" 2001, г. Санкт-Петербург;
• выступление на конференции "Союза кирпичников", Невский пр., 1, 2001г.;
• участие в круглом столе «Промышленный комплекс Свердловской области иг. Санкт-Петербурга», выступление по теме «Новые технологии в изготовлении и строительстве ограждающих конструкций жилых зданий», 2001, «Ленэкспо».
• выступление в Германии, Дрезденский Технический Университет по теме: «Конструкции стен из кирпича» на примере в России «Стены из поризованной керамики», 2002г.
• выступление на Международном симпозиуме г. Сумы, Украина, посвященный Году России в Украине «Межрегиональные проблемы экологической безопасности». Тема докладов: «О нелинейном законе деформирования керамики», и «Экономические основы производства и реализации поризованной керамики», 2003г.
Основное содержание - диссертации опубликовано; в 3 монографиях, 85 научных статьях, в 8 авторских свидетельствах на получение патентов РФ.
Содержание работы.
Диссертация объемом 428 страниц, включая 37 таблиц и 14 рисунков, 8 фотографий. Состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы из 410 наименований (из них 31 на иностранных языках) и приложения.
В первой главе представлен анализ научных работ, посвященных изготовлению крупноформатных камней большого формата.5
Во второй главе, предоставлено исследование сырьевых материалов, используемых для производства камней большого формата.
В третьей главе представлены: исследование теплотехнических и влажност ных показателей крупноформатных камней поризованной керамики, включая сорб-ционную влажность; исследование теплопроводности крупноформатных камней и картина пустотности и геометрии.
В четвертой главе представлены прочностные характеристики кладки из по-ризованных камней и исследования напряженно-деформированного состояния кладки из крупноформатных керамических камней при действии местных и внецентрен-ных приложений нагрузок.
В пятой главе представлены механические свойства керамики, некоторые соображения о прочностных расчетах стен.
В шестой главе представлены соображения об оценке качества поризованной керамики, экономические сравнения вариантов видов кладки.
Из истории развития керамической продукции (1950-1960 г.)
Научные основы расчета и конструирования каменных и армокаменных конструкций в нашей стране и за рубежом разработаны в середине прошлого века.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в лаборатории каменных конструкцийЩНИПС под руководством Л. И. Онищикав 30-50 годах двадцатого века, позволили разработать нормативные документы для проектирования и: возведения зданий и сооружений из кирпича и камня. Первые нормативные: документы были разработаны на основе результатов исследований Камейко В.А., Котова И.Т., Кравчени Н.И., Рабиновича А.И: , Дмитриева А.С., Полякова СВ., Пиль-диша М.И.3, Семенцова С.А., Шишкина А.А. и др.
В дальнейшем. исследования прочности: и деформативности каменной кладки, с учетом различных факторов - разработка новых эффективных каменных конструкций; развитие теории расчета и норм проектирования, соответствующих действительным условиям работы кладки- были продолжены коллективом научных работников: лаборатории каменных конструкций ЦНИИСК им. Кучеренко и-специалистами других организаций - Воробьевой С.А., Емельяновым А.А., Левиным Н.И:, Мусиенко В.Л., Бирюковым АН., КащеевымГ.В., Ворониной?В.П., ГрановскимгА.В., Ищуком? М.К., Пономаревым О.И;, Ломовой Л.М., Кручининым Н.Н. и многими другими;
Комплекс, теоретических и-экспериментальных работ, проведенных; российскими; специалистами, позволил разработать, научно обоснованные нормативные документы по проектированию каменных и армокаменных конструкций для возведения современных зданий и сооружений. Были уточнены расчетные формулы для оценки напряженно-деформативного состояния кладки как не идеально-упругого материала, разработаны формулы расчета на осевое и внецентренное сжатие, продольный изгиб, краевое и местное сжатие и смятие.
На основании экспериментальных данных получены расчетные формулы по определению несущей способности конструкций с учетом; армирования. Экспериментальными исследованиямиіустановлено влияние длительности приложения нагрузки» на изменение прочности каменной; кладки, проведена экспериментальная проверка теории «расчета комплексных конструкций. Изучены также многие другие вопросы, являющиеся важнейшими элементами \ при - оценке прочности и деформа-тивности кирпичной и каменной кладки.
Вместе с тем, необходимо отметить, что в настоящее время достаточно хорошо изучены характеристики кладки с применением полнотелых изделий или изделий с пустотами, не превышающими 20-25 процентов.
В 30-40 годах двадцатого века исследования пустотелого кирпича, камней и блоков были проведены И.В. Скворцовым, П.И. Гончаром, С. А. Браверманном, В.Я. Яблоновским, Г.С. Палагиным. Основное внимание в этих исследованиях уделено вопросам производства изделий. Пустотелые керамические камни в середине XIX века выпускались в различных регионах России - на Кавказе, Украине, Белоруссии, в Санкт-Петербурге. Это были изделия небольшой пустотности или изделия с горизонтальными пустотами.
В число задач индустриального жилищно-гражданского строительства входит создание эффективных ограждающих конструкций, которые могли бы заменить трудоемкую кирпичную кладку стен. Кирпичная кладка стен является одновременно и несущей конструкцией, и теплозащитной, однако она непригодна для индустриальных методов строительства. Поэтому, приведенная тема и разработанные институтом ВНИСТРОМ совместно с архитектурно - проектной мастерской имени академика; В.А.Веснина типы крупноразмерных керамических камней; и блоков для 5- этажного 80- квартирного жилого дома представляет несомненный-интерес, т.к. эти камниіи: блоки пригодны для индустриальных методов строительства с применением кранов малой мощности (до 2х тонн). Преимуществом: разработанных конструкции по сравнению с виброкирпичньїмиї иг др. панелями является отсутствие: сплошных: вертикальных швов в несущих элементах здания, что выгодно как с точки зрения механической прочности, так и теплозащитных свойств ограждений в целом:
Советский;союз располагал большими производственными мощностями! на? кирпичных заводах. Однако малые размеры кирпича и мелких керамических камней, выпускаемых на этих заводах, являлись тормозом к осуществлению строительства; из них индустриальными методами:
Попытка применения тонкостенных виброкирпичных панелей не привела в то время к положительным І результатам, вследствие промерзания панелей в вертикальных стыках благодарят их излишней?теплопроводности. Рядом организаций, в TOMt числе И; лабораторией строительных керамических конструкций г института ВНИИСТРОМ; проводились работы по конструктированию панелей из керамических; камней; с щелевидными; и ромбическими «пустотами, близких по размерам-к стандартным бетонным камням. При этом оставалась пока не решенной проблема избежать попадания кладочного раствора в теплотехнические пустоты при введении раствора г методом вибрирования, подобно применяемому в виброкирпичных панелях. Кроме того, отсутствие механизмов для укладки сравнительно мелких; но достаточно тяжелых для ручной кладки камней в панели делает эту операцию чрезвычайно трудоемкой.
Согласно утвержденной институтом программе, в условиях опытного завода; проведена разработка технологии изготовления в 1963 г. крупноразмерных стеновых камней типа "НС-1" размером 980x400x716 мм; угловых камней наружных стен типа "НС-1" размером 890x640x716 мм, перемычечных камней наружных стен типа 2-2 размером 890x190x440 мм, типа 2 размером 890x190x520 мм; типа 2-3 размером 890x190x350 мм и типа 2-4 размером 890x190x195 мм.
Таким образом; при разработке охвачены все типы наружных стеновых камней; необходимых для принятой конструкции задания.
В отчете за 1960 год по теме 28-60 "Разработка технологии производства панелей из эффективных многодырчатых керамических; камней без утеплителей" в кратком:обзоре состояния производства;и применения в строительстве пустотелых керамических камней и стеновых панелей из них в СССР и за рубежом были отмечены работы института НИИстройкерамика и? Боскудниковского завода, приступивших к изготовлению, крупнопустотных керамических камней и панелей из них, НИИСМ АСиА УССР, разработавшего конструкцию керамического камня с заплечниками и изготовившего несколько опытных панелей с применением легкого раствора из перлитобетона и перлито-керамзитобетона в качестве дополнительного утепления панелей. Был описан опыт изготовления стеновых панелей из керамических трубок в сочетании с легким бетоном на основе гранулированных шлаков; Были приведены некоторые сведения из зарубежного опыта производства пустотелых; керамических камней ив частности о производстве панелей s из толстостенных крупнопустотных керамических камней во Франции, имеющий;свои особенности.
Поездка группы специалистов Госстроя СССР во Францию в 1961 году дала, возможность пополнить имеющиеся сведения о панельном строительстве из пустотелых керамических камней в этой стране.
По данным отчета, стеновые панели системы фирмы "Костомания" состоят из двух рядов керамических камней и трех слоев раствора с перевязкой? в вертикальных плоскостях. Размеры керамических камней! - 300x400x100 мм. Керамические камни имеют по две пустоты. Прочность керамических камнейнетто - 400-500 кг/см2, брутто - 140 кг/см2. При толщине камней; 100
Изучение сушильных и обжиговых свойств глинистого сырья Никольского месторождения
В результате проведенных лабораторно-технологических исследований установлено: Учитывая сушильные свойства- глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения w состояние действующего сушильного отделения завода, использование глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения без применения добавок для производства пустотелого (пустотность 32%) керамического кирпича: на действующем заводе возможно при условии использования в технологии глинистого сырья с влажностью (абсолютной) в пределах 24%. При этом максимальная температура теплоносителя, подаваемого в сушила, составляет 70 С, минимальная продолжительность сушки сырца составляет 39 часов.
Использование глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения при введении в состав шихты 25% песка (по объему) для производства пустотелого (пустотность 32%) керамического кирпича на;действующем заводе возможно при условии использования в технологии.глинистого сырья с влажностью (абсолютной) в пределах 24%, а влажности шихты -20,7%. При этом максимальная температура теплоносителя, подаваемого в сушила, составляет 69 С, минимальная продолжительность сушки сырца составляет 33 часа. 3. Использование глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения с введением в состав шихты 45% опилок (по объему) для производства пустотелых камней 15NF (пустотность 50%) возможно при условии использования в технологии шихты с влажностью в пределах 24,4%. В этом случае максимальная температура теплоносителя, подаваемого в сушила, составляет 81 С, минимальная продолжительность сушки сырца - 39 часов. 4: На основе глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения как без добавок, так и с введением в состав шихты песка в количестве 25% (по объему) или 45% опилок (по объему), возможно получение образцов с достаточно высокими прочностными показателями пределов прочности при сжатии и при изгибе. Припрочих равных условиях добавлением глине; песка и;опилок снижает прочностные показатели образцов при; сжатии, соответственно, примерно на 15 и 80%. 5. Экстраполяция данных, полученных в лабораторных условиях, к прочностным показателям керамического кирпича пластического формования показывает (см. табл. 3.4), что на основе Никольской глины возможно получение пустотелого (пустотность 32%) марок "200-150". 6. На основе Никольской глины +45% опилок (по объему) возможно получе ние керамических камней 15 NF с общей пустотностью 50% - марки «100». Цвет ке рамического черепка при этом красный или темно-красный. Во всех случаях лимитирующими показателями при определении мароч-ности будут являться пределы прочности как при сжатии, так и при изгибе. 7. Оптимальным температурным интервалом обжига кирпича на основе глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения является интервал температур 960-980С. Расчетная продолжительность обжига кирпича при этом составит 40-42 часа; 8. Оптимальным температурным интервалом обжига кирпича на основе глинистого сырья НИКОЛЬСКОГО месторождения с добавлением 45% опилок является интервал температур 940-960С. Расчетная продолжительность обжига кирпича при этом составит 44-46 часов. 9. При формовании пустотелого (пустотность 32%) кирпича, как из "чистой" глины, так и с введением в состав шихты 25% песка (по объему), длина мундштука может находиться в пределах 20 см, а высота скобы -18 см; При формовании пустотелых камней 15 NF (общая пустотность 50%) длина мундштука может находиться в пределах;19 см, а высота скобы - 26 см (рис.2.4.1) Исследуемая глина серовато-голубоватая, жирная на;ощупь, в воде разма-кает с набуханием. Под микроскопом глина имеет пятнистую текстуру. Среди тонкозернистой, низкодвупреломляющей глинистой массы, состоящей из тонких чешуек и кварца, выделяются сравнительно крупные агрегаты пластинчатого строения, вероятно, каолинита, замешенного гидрослюдистыми минералами- гидрослюда типа гидромусковита с однообразно ориентированными г листочками; чешуйками, с высоким двупреломлением (в желтых тонах). Среди основной массы отмечается присутствие довольно большого количества зеленоватых чешуек с низким двупреломлением и средним светопреломлением около 1,58, соответствующие гидрохлориду и частично глаукониту. В глине содержатся ; мелкие: зерна кварца, редкие: зерна полевых шпатов и очень много крупных и мелких пластинок гидрохлорида, а также неправильные образования и пластинки І глауконита светло- зеленоватого цвета; редкие включения карбоната. На термограмме глины выделяются три эндотермических эффекта и один экзотермический: - первый эндотермический эффект с максимумом при 140 отражает уда ление адсорбированной (гигроскопической, межслойной) воды глинистых минералов гидрослюдистых, глауконитовых и гидрохлорида; - второй эндотермический эффект разделен экзотермическим эффектом на: два эндотермических с максимумами при 565 и 635 С, связанные с дегидратацией преобладающих гидрослюд и каолинита; третий эндотермический «эффект с максимумом при 910 С обусловлен завершением дегидратации и аморфизации гидрослюд; - экзотермический эффект при 600С, вероятно, соответствует разложению пирита. Геологическая карта района представлена на рис. 2.5. Приведенные данные дают основание считать минералогический состав глинистого вещества исследуемой глины как каолинито-гидрослюдистый (преобладает последний) с большой примесью глауконита и гидрохлорида.
Исследование воздухопроницаемости наружной стены из крупноформатных керамических камней
В нашей стране давно установилась практика оценки теплозащитных качеств ограждающих конструкций на стадии разработки новых серий проектов панельных и блочных зданий. Панели или блоки исследуются в климатической камере или в натурных условиях на экспериментальном доме. И только после этого разработанные наружные ограждающие конструкции- при условии удовлетворения нормативным требованиям допускаются к массовому строительству. Необходимость определения теплопроводности заложена и в ГОСТ на теплоизоляционные материалы. Кирпич в кладке одновременно выполняет конструкционные и теплозащитные функции. Но сложившаяся практика ни на кирпич, ни на кирпичные стены не распространялась. Это обуславливалось более или менее одинаковыми, известными проектировщиками, теплотехническими свойствами полнотелого кирпича. Свойства выпускаемых до 1985 года всего-навсего 3-4 типов пустотелого кирпича, не превышающих 5% в общем объеме производства, были изучены на фрагментах стен в климатической камере, проведены в натурных условиях на экспериментальных зданиях и внесены в качестве расчетных в теплотехнический СНиП [7].
Образовавшийся дефицит полнотелого кирпича стал восполняться расширением производства пустотелого. Заводам его выгодно выпускать: на его производство расходуется меньше энергоносителя, сырья, времени на обжиг; сократились транспортные расходы; повысилась производительность.
Комплексные исследования теплозащитных качеств кирпичных стен позволили выявить особенности теплофизических свойств керамических стеновых материалов на стадиях их изготовления и эксплуатации и их преимущества по сравнению с другими мелкоштучными; местными материалами. Результаты этих исследований послужили основой для создания нового поколения эффективных пористых керамических материалов, позволяющих в 2-3 раза повысить теплозащитные качества наружных кирпичных стен без увеличения их толщины.
Пустотелые и полнотелые кирпичи в наружных стенах одновременно выполняют теплоизоляционные и конструкционные функции. Теплофизические свойства этих материалов во взаимосвязи с кладочным раствором и утеплителем обеспечивают требуемый уровень: теплоизоляции наружных стен при определенной их толщине. По своей структуре кирпичи, как и другие мелкоштучные материалы, являются капиллярно-пористыми телами. Пористость, например, керамического и силикатного кирпича; и бетонных камней составляет 26-70%. При ; этом керамический кирпич в своем объеме содержит значительно большее количество закрытых пор по сравнению с силикатным и бетонными камнями. Это обусловлено технологией производства стеновых материалов. Если силикатный кирпич, подобно бетону, после автоклавной обработки в результате химической гидратации - приобретает кристаллическую структуру на основе гидросиликатов кальция, то керамический кирпич после обжига в процессе химических превращений содержит в своем составе кроме кристаллической фазы и аморфную (стекловидную), которая способствует закрытию пор при термообработке. Отличительной особенностью керамического кирпича является его абсолютно сухое состояние при завершении технологического процесса; Содержащая в шихте гигроскопическая влага полностью удаляется в диапазоне температур: 120-180С. Химически связанная вода из шихты (кристаллизационная) удаляется во время обжига при 480-580С. Небольшое увлажнение до воздушно-сухого состояния (0,1-0,2%) керамический кирпич приобретает в процессе доставки на стройплощадку. Бетонные камни и силикатный кирпич после автоклавной: обработки имеют влажность 16-18%. Поскольку-кладку выполняют на цементно-песчаном растворе - материале, "родственном" бетонным камням и силикатному кирпичу, то стены из;них, практически дополнительно не увлажняясь, продолжают сохранять технологический уровень влажности еще длительное время после окончания строительства. Керамический же кирпич, наоборот, в процессе укладки в стену приобретает дополнительное увлажнение от кладочного раствора, но тем не менее влажность стены из него значительно ниже, чем из бетонных камней и силикатного кирпича.
Различные физические свойства рассматриваемых материалов проявляется ив способности поглощать и удерживать влагу в стене при І эксплуатации І зданий. Вода, попавшая в поры, способствует развитию деформации; то есть разрушению матрицы материала и повышению теплопроводности. Поэтому при получении качественного стенового строительного материла необходимо по возможности создавать закрытую структуру пор, чтобы уменьшить количество свободной воды, химически не связанной. Оставшиеся после изготовления стенового материала открытые поры при заполнении водой или паром в условиях эксплуатации зданий являются причиной, снижающей морозостойкость изделий, долговечность и теплозащитные качества наружных стен.
Сорбционное (равновесное) влагосодержание материала исследованных мелкоштучных стеновых изделий значительно меньше максимального влагосодер-жания, которое материал может приобрести при погружении в воду. Как видно, материал мелкоштучных стеновых изделий имеет большой і диапазон влагосодержа-ния. От степени насыщения материала влагой зависит его.теплопроводность. При; этом сорбционная влага, находящаяся в порах с радиусом 110"5 см; и влага эксплуатационная (сверхсорбционная), заполнившая более крупные поры, при положительных или отрицательных температурах наружного воздуха оказывают разное влияние на теплозащитные качества наружных ограждающих конструкций.
На рис. 3.1 приведены дифференциальные кривые распределения пор для керамического силикатного кирпича, керамзитобетона и цементно-песчаного раствора. Как видно, керамический кирпич имеет количество пор с радиусомЮ"6 - 10"4 см, значительно большее но сравнению с другими материалами. На;втором месте по величине пор находится пористая керамика. Керамзитобетон и силикатный кирпич и цементно-песчаный раствор содержат наибольшее количество пор с радиусом 10"4 -10"1,5см. Это обусловливает и их существенно различающиеся сорбционные свойства-и водопоглощение. Например, у кладки из керамического кирпича наиболее заметный рост коэффициента теплопроводности наблюдается в интервале влажности 0-1%. Это объясняется тем; что в обожженных материалах, к которым относится и: керамический кирпич, при увлажнении в первую очередь заполняются мелкие поры и: капилляры. В результате увеличиваются размеры контактных площадок между частицами материала. Образование контактной зоны с повышенным значением теплопроводности обусловлено появлением:так называемого "дефектного участка" с неэквивалентными связями. Подобный эффект наблюдается при введении примест-ных концентраций ионов в структуру кристаллических и;аморфных соединений, вызывающих; интенсификацию: ряда; свойств. С повышением концентрации воды.заполняются крупные поры вне зоны контакта теплопроводных частиц. Поэтому рост теплопроводности с увеличением влажности замедляется.
Исследование физико-механических свойств поризованных камней (ромбовидные пустоты)
При выполнении армированной кладки с облицовкой из изделий, выпускаемых ЗАО «Победа/KNAUF», ив сочетании слоев в кладке - основная кладка из керамических крупноформатных камней марки «100» и лицевого слоя из керамического одинарного кирпича марки «200» с прокладкой арматурных сеток по всему сечению слои в кладке работают совместно и коэффициент использования слоев может быть принят т - 1:
Применение керамических камней «2NF» пустотностью 45% и «15NF» пусотностью 50% возможно для несущих стен при строительстве жилых, общественных и промышленных зданий с использованием армирования.
Проектирование стен зданий из пустотелых керамических камней (пустот-ностью 45-50%) следует проводить в соответствии с требованиями главы СНиП II-22-81 "Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования" и "Пособия по проектированию каменных и армокаменных Конструкций (к СНиП I1-22-81)" с учетом дополнительных требований, изложенных в отчетах 1998-1999 гг.
Этажность зданий из пустотелых керамических; камней с вертикальными пустотами должна определяться расчетом на прочность и устойчивость в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.
Кладка с облицовкой, выполненная из изделий ЗАО «Победа/Knauf»: лицевой слой - из керамического одинарного пустотелого кирпича, основная кладка - из крупноформатного керамического камня толщиной: 218; мм - работает совместно вплоть до момента разрушения. 10. Связь лицевого слоя из одинарного пустотелого кирпича толщиной 65 мм с основной І кладкой из крупноформатного камня толщиной 218 мм осуществляется путем укладки; арматурных сеток в каждом ряду камня через 2 ряда камня б рядов кирпича, а.также через три ряда кирпича с укладкой тычкового прокладного ряда из лицевого кирпича через два ряда основной кладки из камня. 11. Кладку стен из пустотелых керамических камней следует производить на растворе прочностью не ниже марок «50», «75» и «100». Применять раствор более марки «100» не рекомендуется. 12. В дальнейшем:зависимость прочности кладки из:крупноформатных камней от величины процента армирования необходимо проверить дополнительно при различной прочности раствора и различном проценте армирования. На . основании проведенных исследований могут быть даны следующие рекомендации по кладке стен из; керамических; камней, в том?числе с облицовкой; и применении армирования в кладке. 1: Армирование повышает несущую способность кладки и может учитываться в расчете в целях увеличения несущей способности кладки. 2. Предел прочности армированной кладки из пустотелых керамических камней - поризованных «2NF» (h = 138 мм) и крупноформатных «15NF» (h = 218 мм) с поперечным сетчатым t армированием может определяться по формулам и правилам, приведенным в СНиП 11-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции. Нормьь проектирования» с введением коэффициента -0,8. 3. Приt выполнении армированной кладки с облицовкой из изделий, выпускаемых ЗАО «Победа/KNAUF», и в сочетании слоев в кладке - основная кладка из керамических крупноформатных камней марки;«100» и лицевого слоя из керамического одинарного кирпича марки «200» с прокладкой арматурных сеток по всему сечению слои в кладке работают совместно, и коэффициент использования слоев может быть принят т = 1. 4. Применение керамических камней «2NF» пустотностью 45% и «15NF» пус-тотностью 50% возможно для несущих стен при строительстве жилых, общественных и промышленных зданий с использованием армирования. 5. В кладке из керамических крупноформатных камней толщиной; 218 мм; марки «100», облицованной пустотелым одинарным керамическим кирпичом (65 мм) марки «200», при всех видахкладки несущая способность основного слоя используется полностью. Отслоения и разрушения лицевого слоя не наблюдается. Определение области применения типов стен с облицовкой их предельной этажности должно определяться расчетом по формулам СНиП 11-22-81. 6. Экспериментальная предельная несущая способность армированной кладки соответствует определенной расчетом по формулам СНиП 11-22-81; Армиро ванная кладка может применяться в многоэтажных зданиях. Предельная этажность определяется расчетом. 7. При армировании кладки требование к маркам изделий лицевого и основ ного слоев сохраняется по аналогии с неармированной кладкой. Армирование сетками, учитываемое в расчете, должно производиться не более чем через шесть рядов лицевого кирпича (два ряда камня). Сетки укладывать по всему сечению стены, включая облицовку. 8. Применение кладки из керамических крупноформатных камней толщиной 218 мм с облицовкой одинарным \ керамическим кирпичом и прокладным рядом t из того же кирпича следует ограничить зданиями высотой не более 5-ти этажей. Это объясняется тем, что качествокладки; полученное в эксперименте на опытных об разцах, трудно получить при больших объемах кладки в условиях строительства. Другой: причиной конструктивного ограничения Ї этажности является то, что испытания проведены при кратковременных нагрузках. При длительном приложении нагрузок, что имеет место в условиях эксплуатации зданий, будет более значительная разница В; деформациях и, следовательно,иные условия совместной работы слоев в кладке, а также не исследована прочность и деформативность кладки из крупноформатного камням пустотностью: 50%, длиной, равной і толщине стены, при? внецентренном и местном сжатии. 9: Проектирование и расчет армированной кладки должен производиться согласно СНиП 11-22-81: «Каменные и армокаменные конструкции: Нормы проектирования» и «Пособия по проектированию каменных, и \ армокаменных конструкций» (к СНиП 11-22-81) с учетом дополнений, приведенных выше. 10. Прочность материала для лицевого слоя должна быть на марку выше прочности камня основной кладки. При использовании для лицевого слоя: кирпича в кладке других заводов при ч расчете армированной кладки сечение приводится к основному материалу стены. Коэффициенты условий совместной работы облицовки с кладкой применяются для всех типов рассмотренных стен: - т = 1,0 - для облицовки; - т = 0,9 - для основной кладки. 11. Расчет кладки с облицовкой без арматуры и с армированием производит ся как многослойной стены г по приведенному; к одному материалу сечению? по п.п. 4.21-4.29 СНиП 11-22-81.
