Наиболее перспективные энергосберегающие ограждающие конструкции в практике современного энергоэффективного строительства

Обсуждаются результаты исследований и разработки технических решений энергоэффективных трехслойных ограждающих конструкций индустриального изготовления с использованием легких бетонов низкой теплопроводности в качестве теплоизоляционного слоя.
В настоящее время лидирующие позиции в отрасли строительной индустрии занимают, как правило, предприятия, на которых активно внедряются новые наукоемкие технологии и продукция. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что эти разработки опережающими темпами развиваются в рамках поисковых, фундаментальных, а затем и прикладных исследований в соответствии с прогнозируемыми и приоритетными проблемами отрасли.
В последние годы одной из самых острых проблем в строительстве стала проблема энергосбережения. Совместными исследованиями, проведенными учеными в Московском государственном строительной университете (МГСУ) и Научно-исследовательском институте бетона и железобетона (НИИЖБе), получены результаты, которые использованы для разработки технических решений энергоэффективных трехслойных ограждающих конструкций индустриального изготовления [1]. Суть этих решений заключалась в использовании легких бетонов низкой теплопроводности в качестве теплоизоляционного слоя многослойных железобетонных панелей. Особенностью технологии изготовления таких конструкций является последовательная укладка слоев из бетонов различной прочности в едином технологическом цикле с образованием монолитного сечения, что устраняет необходимость установки стальных или дискретных железобетонных связей между слоями. Поэтому определяющими факторами при выборе бетона для теплоизоляционного слоя являются однородная структура, достаточная прочность в свежеуложенном состоянии для выдерживания нагрузки от вышележащего слоя, гидравлическая активность вяжущих, безавтоклавное твердение. Монолитная связь слоев панелей, которая образуется при изготовлении, сохраняется и в процессе эксплуатации.
Несмотря на выполненный большой объем комплексных работ, таких как исследования совместной работы среднего слоя из бетона низкой плотности с наружными слоями из конструкционных бетонов, разработанные методы расчета, составленные рекомендации по расчету и конструированию панелей, изготовление и испытание ограждающих конструкций различных видов, подтвердившие их технологичность и надежность в эксплуатации, технико-экономический анализ, главной оставалась задача, в первую очередь, внедрения разработанных конструкций в опытном производстве и строительстве. Реализация этой задачи была успешно осуществлена благодаря инициативной и высокопрофессиональной деятельности специалистов ООО СК «Домостроение» и «ВНИИстрома им. П.П. Будникова» на предприятии промышленно-строительного комплекса ОАО «Щуровский комбинат».
Проведенными исследованиями установлено, что одним из наиболее перспективных материалов для теплоизоляционного слоя многослойных конструкций, отвечающим перечисленным выше требованиям, является полистиролбетон средней плотности – не выше 400 кг/м3, прочностью не выше 15 кг/см2. Использование в качестве заполнителя гравия, получаемого вспениванием полистирольного бисера, обеспечивает низкую плотность и теплопроводность, а цементная матрица формирует структурную прочность такого вида бетона. Таким образом, используются как теплоизоляционные свойства бетонов низкой прочности, так и конструкционные.
Сравнительный анализ результатов теплотехнических расчетов показал, что наиболее эффективно применение в наружных слоях трехслойных стеновых панелей конструкционных бетонов на пористых заполнителях. Это позволяет в большинстве регионов для трехслойных стеновых панелей использовать существующий на производстве парк опалубочных форм. При этом масса трехслойных панелей за счет использования в среднем слое бетона низкой средней плотности не превышает массу выпускавшихся ранее однослойных панелей из легких бетонов. Поэтому для них может быть использовано существующее крановое оборудование как на заводах, выпускающих железобетонные конструкции, так и на строительной площадке.
Разработанными конструктивными решениями для наружных слоев стеновых панелей предусмотрено применение бетонов на пористых заполнителях класса по прочности В7,5 (М100) средней плотности 1200, среди которых наиболее массовое применение с учетом существующей отечественной базы производства пористых заполнителей может найти керамзитобетон.
Армирование многослойных панелей с теплоизоляционным слоем из бетонов низкой теплопроводности осуществляется пространственными каркасами, рабочая арматура которых размещается в наружных слоях из конструкционного бетона.
Результатами испытаний опытных конструкций на действие статических нагрузок установлено, что ни в одной из конструкций вплоть до разрушения не образовывались трещины по контакту слоев и не зафиксировано их взаимное смещение. Этот факт подтверждает, что использованная технология изготовления обеспечивает надежную связь слоев панелей между собой.
Для разработанного конструктивного решения трехслойных панелей во «ВНИИстроме» разработана усовершенствованная технология теплоизоляционного материала для среднего слоя панелей – модифицированного полистиролбетона, имеющего по сравнению с обычным полистиролбетоном при одинаковой плотности и других физико-механических показателях [2,3], регламентируемых требованиями ГОСТ Р 51263-99 [4], преимущества экономического характера.
Полистиролбетонная смесь разработанных составов обладает хорошей подвижностью, ее можно транспортировать к месту укладки без нарушения структуры любым видом транспорта – кюбелем, транспортером, по напорным шлангам с помощью сжатого воздуха. Последнее обстоятельство очень важно при организации технологического процесса укладки полистиролбетонной смеси, потому что может быть использовано как при применении горизонтальных металлических опалубочных форм, так и для монолитных вертикальных наружных стен.
Изготовление полистиролбетонной смеси может осуществляться в обычных бетоносмесителях путем перемешивания компонентов (цемента, полистирольных гранул, воды и добавок). Для разработанных составов полистиролбетон имеет коэффициент теплопроводности (для условий эксплуатации Б) 0,085…0,095 Вт/моС. Такая низкая теплопроводность позволяет при толщине теплоизоляционного слоя трехслойной керамзитобетонной панели, равной 250 мм, получить требуемое по нормам сопротивление теплопередаче при общей толщине панели 400 мм. Эта толщина близка к толщине однослойных керамзитобетонных панелей, применявшихся до введения в действие новых норм по строительной теплотехнике, в качестве основного типа наружных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. Таким образом, очевидна возможность организации производства подобных панелей на заводах КПД и ДСК с использованием существующего парка форм, а при необходимости – при минимальных затратах на его переоборудование.
В соответствии с рекомендациями ОАО «ВНИИстром им. Будникова» по выбору технологического оборудования на предприятии промышленно-строительного комплекса ОАО «Щуровский комбинат», начиная с 2003 г. было организовано производство трехслойных стеновых панелей с наружными слоями из керамзитобетона и средним слоем из полистиролбетона. Технологией изготовления этих конструкций предусмотрена последовательная укладка наружного слоя из керамзитобетона плотностью 1000 кг/м3 и классом по прочности на сжатие В5 толщиной 80 мм, среднего слоя из полистиролбетона толщиной 250 мм, внутреннего слоя из керамзитобетона плотностью 1000 кг/м3 и классом по прочности на сжатие В5 толщиной 70 мм.
Проект жилого дома с новыми энергоэффективными стенами разработан проектным институтом АО «Гражданпроект» (г.Коломна) применительно к существующему для производства панелей на Щуровском комбинате парку форм.
Производство комплекта трехслойных панелей новой конструкции для строительства дома было организовано на комбинате с максимальным использованием имеющегося оборудования и приспособлено к существующему технологическому процессу производства однослойных керамзитобетонных панелей.
Узел приготовления полистиролбетона был размещен на этажерке смесительного отделения с таким расчетом, чтобы для подачи в смеситель компонентов смеси (цемента, воды) использовать имеющееся дозировочное оборудование. Там же было организовано производство вспененных полистирольных гранул на специальной установке производительностью 4 м3 гранул в час. Гранулы после приготовления подавали в вентилируемые бункеры емкостью 10 м3, где происходило их высыхание, выравнивание их давления до атмосферного и частичная детоксикация (удаление остатков изопентана, стирола). Дозирование гранул осуществлялось по объему.
Перемешивание компонентов полистиролбетонной смеси осуществлялось в бетоносмесителе емкостью 0,8 м3, а затем осуществлялась транспортировка на пост формования панелей.
Изготовление панелей осуществлялось путем последовательной укладки слоев. Сначала с помощью бетоноукладчика укладывали нижний наружный слой панели толщиной 80 мм из керамзитобетона и уплотняли вибрированием в течение 20…30 сек. Затем также с помощью бетоноукладчика слоем толщиной 250 мм укладывали полистиролбетон и производили уплотнение кратковременной вибрацией 10–15 сек. Укладка верхнего слоя панели осуществлялась строго согласно технологическому регламенту до начала схватывания бетона нижнего слоя с последующим уплотнением поверхностной вибрацией. После 3-часовой выдержки панелей в цехе их подвергали тепловой обработке по следующему режиму: 3 ч – подъем температуры,
6 ч – изотермическая выдержка при температуре 70оС, 2 ч – охлаждение.
В настоящий период в г. Коломне Московской области ведется строительство третьего жилого дома с наружными стенами из трехслойных панелей с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона, изготовленных на Щуровском ДСК (см. рис.). Для транспортировки панелей со склада на строительную площадку использовались обычные панелевозы. Монтаж панелей предусматривает использование традиционных методов и серийных грузоподъемных кранов.
Комплексные исследования по разработке трехслойных панелей с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона реализованы в практике современного энергоэффективного строительства, а новые направления их дальнейшего совершенствования определит, в первую очередь, опыт эксплуатации.
Анализ технико-экономических показателей выявил, что преимущества трехслойных стеновых железобетонных панелей с монолитной связью слоев обеспечиваются совместной работой наружного, внутреннего и теплоизоляционного слоев, что обосновано теоретически и проверено экспериментально. При этом снижается расход материалов, масса конструкций, трудоемкость их изготовления, стоимость, повышается качество и долговечность по сравнению с традиционными многослойными конструкциями с раздельно работающими слоями. Разработанное конструктивное решение, базирующееся на эффективной технологии, может быть использовано в практике современного строительства для энергосберегающих стеновых панелей, а также плит перекрытий и покрытий в крупнопанельном и сборно-монолитном домостроении.

Выводы

1. Для разработанных трехслойных стеновых панелей с наружными слоями из конструкционного керамзитобетона и средним слоем из полистиролбетона высокие теплоизоляционные свойства модифицированного полистиролбетона позволяют при общей толщине панели 400 мм обеспечить требуемое термическое сопротивление наружных стен, составляющее 3,15 Вт/моС для Московской области, где осуществляется их внедрение.
2. Производство трехслойных панелей с наружными слоями из конструкционного керамзитобетона и средним слоем из полистиролбетона, огранизованное на Щуровском комбинате обеспечило эффективное развитие производства на базе новых отечественных наукоемких технологий в строительстве.
3. Сравнительный технико-экономический анализ разработанных конструкций в сопоставлении с конструкциями массового применения выявил эффективность их использования во многих регионах РФ.
4. С целью продолжения комплексных исследований работы новых конструкций в реальных условиях целесообразно организовать направленный мониторинг их состояния в процессе эксплуатации.

Библиографический список:
1. Чиненков Ю.В., Король Е.А. Результаты испытаний трехслойных железобетонных ограждающих конструкций с теплоизоляционным слоем из полистиролбетона // Ресурсо- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном процессе. Труды годичного собрания РААСН. Москва-Казань, 2003.
2. Патент РФ №219851 10.02.2003. Бюлл. №4. Способ изготовления пенополистиролбетона.
3. Патент РФ №2201907 10.04.2003 Бюлл. №10. Способ изготовления пенополистиролбетона.
4. ГОСТ Р 51263-99. Полистиролбетон. Технические условия.