ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ОГНЕСТОЙКАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ ИЗОЛИРУЮЩАЯ ПАНЕЛЬ
ENERGY-EFFICIENT FIRE-RESISTANT MULTILAYER INSULATING PANEL

Изобретение относится к области строительства. В частности - производства энергоэффективных огнестойких панелей малого сечения, с высокой звукоизоляцией, применяемых для изготовления широкого спектра строительных элементов - ограждающих конструкций наружного и внутреннего применения, стеновых панелей, панелей покрытий, перекрытий, декорирующих элементов с функцией тепло и звукоизоляции. Стеновые панели, выполненные по данной технологии, могут использоваться при возведении многоэтажных зданий с несущим железобетонным, металлическим и иным несущим каркасом качестве самонесущих и ненесущих наружных стен, как несущие конструктивные элементы в малоэтажном каркасном строительстве для коммерческой и индивидуальной застройки, при реконструкции зданий, надстройках. Панели покрытий и напольные декорирующие элементы предназначены для утепления и звукоизоляции межэтажных перекрытий и внутренних перегородок.
Основной проблемой построения современной стеновой ограждающей панели для строительства жилых зданий является соблюдение соотношения ее прочностных конструкционных свойств с повышенными требованиями СНиП 23-02-2003, (Тепловая защита зданий) и СНиП 21-01-97 (Пожарная безопасность зданий и сооружений) стимулирующими активное применение в них современных изолирующих материалов.
Из общего уровня техники известен ряд технических решений в области производства многослойных монолитных заградительных конструкций, от массово применяемых в строительстве блочных зданий несущих и самонесущих стеновых панелей на основе бетонной опалубки с заполнением внутренней полости пенополистиролом или иными полимерными и минеральными утеплителями, до более сложных составных систем, монтируемых последовательно, но так же представляющих из себя последовательность слоев из материалов различной плотности. С развитием строительных технологий все больший процент занимает технология монолитно бетонного и каркасного строительства, при котором в готовую несущую конструкцию встраиваются стеновые панели и внешние ограждающие конструкции из различных материалов и их сочетаний. Внешние стены в зданиях с монолитно-бетонной межэтажной заливкой, как правило, выполняются сочетанием классической технологии - кирпичной кладки и внешнего утепляющего покрытия, монтируемого поверх кладки. Покрытие может быть сплошным, связываемым с кладкой и вентилируемым, монтируемым через систему крепежа. Кирпичная кладка обеспечивает жесткость конструкции, огнестойкость и дополнительную теплоемкость здания, внешняя - теплоизоляцию и декоративные свойства. Для зданий со стальным каркасом в связи с ограничением нагрузочной способности актуально применение монолитных панелей типа «сандвич», имеющих внешний металлический или полимерно-композитный каркас с заполнением легкими пенополимерными материалами. Такие панели являются самонесущими и ненесущими, как правило, в качестве утеплителя используют минеральные ваты и легкие горючие полимеры. Недостатком таких панелей является низкий срок службы в связи с расслоением, уплотнением, увлажнением утеплителя, и низкая огнестойкость.
Применение в качестве утеплителя современных полимерных материалов, таких, как пенополиуретан с добавками, повышающими прочность и огнестойкость материала, вспененные минеральные композиции или отвердевающие композиты, содержащие негорючие минеральные и полимерные микросферы, в сочетании с жесткими конструктивоформирущими материалами, в значительной мере решают поставленную задачу - добиться сочетания конструктивной прочности, энергоэффективности, огнестойкости. Однако, существует ряд недостатков, ограничивающих массовое применение таких конструкций и ограничивающих их характеристики - долговечность, звукоизоляция.
Основной проблемой в эксплуатации таких многослойных заградительных конструкций является нестабильность изделий, связанная с невозможностью добиться высокой связи между слоями и армирующими элементами из за перепадов температур и постоянных динамических нагрузок, оказываемых на здания движением грунтов, ветровой нагрузкой, что особо актуально для высотных зданий. На границах сред с различной плотностью и различным коэффициентом температурного расширения происходит расслоение с образованием воздушных прослоек. Металлические конструктивные и армирующие элементы, в таких условиях подвергаются ускоренному окислению, а полимерные - растрескиванию, что приводит к ослаблению всей конструкции и ухудшению ее энергоэффективности.
Максимально близкими по строению слоистыми панелями являются Слоистая панель для стены и способ изготовления, RU 2485259, дата приоритета 11.03.2009 - Способ и устройство для изготовления строительной панели, патент №2353737, дата приоритета 20.04.2007 - способ изготовления слоистых изделий, патент РФ №2264289, дата приоритета 04.03.2004 - способ изготовления слоистых изделий.
Рассматриваемые технологии предусматривают послойное расположение разноплотностных слоев с различной степенью связывания слоев с целью достижения оптимального соотношения прочности и теплоемкости изделия.
Патент RU 2485259, «Слоистая панель для стены и способ изготовления», описывает технологию производства сложносоставной панели малого мечения, состоящей из по крайней мере двух теплоизоляционных плит, облицовочной наружной и стеновой внутренней, и крепежной конструкции, состоящей из рамы и стоек, расположенной между ними и погруженной в пенополимерный материал, связывающий эти плиты. Так же крепежный слой содержит минераловатную панель. Внешняя облицовка представлена металлическим листом, внутренняя - слоем гипсоплиты. Усиленная рама вместе с внешней отделкой листовым металлом обеспечивает относительную целостность и прочность конструкции, соотношение применяемых материалов - хорошие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства. Недостатком конструкции является наличие слабых межслойных связей, малой суммарной площади связи пенополиуретанового слоя с металлической конструкцией крепежного слоя, что в условиях динамической вибрационной, усадочной, ветровой нагрузки приводит к отслоению, отсутствие герметичного соединения всех слоев между собой неминуемо приводит к их расслоению, а в условиях повышенной влажности - к усадке и уплотнению минераловатного слоя, грибковому заражению.
Патент №RU 2353737 «Способ и устройство для изготовления строительной панели» описывает построение строительных несущих и самонесущих утепленных монолитных армированных панелей на основе пенополиуретана, заливаемого в форму, ограниченную металлическим листом и рамы из стальных или алюминиевых п-образных профилей, с обеспечением зазора, образующего в готовом изделии изолирующий участок от «мостика холода» с лицевой панели, которую и формирует металлический лист. Рама обеспечивает конструкционную прочность, облицовочный лист - внешнее декоративное покрытие, пенополиуретан - низку теплоемкость. Недостатком данной панели является привязка к геометрическим размерам рамы, низкая адгезия пенополиуретана к металлической облицовке и высокая вероятность отслоения при перепадах температур в связи с разницей коэффициента расширения пограничных слоев при относительно малой площади контакта. Для обеспечения достаточной огнестойкости изделие требует дополнительного покрытия в участках с открытым пенополиуретановым слоем и добавления антипиренов непосредственно в сам материал.
Патент РФ №2264289, «Способ изготовления слоистых изделий», описывает технологию производства не столько строительных панелей, сколько элемента для их облицовки с цель тепло-звукоизоляции и декорирования, однако, по структуре связана с технологией, предлагаемой в настоящей заявке. Технология предполагает изготовление строительных блоков методом окутывания легких пенополимерных заготовок слоем минерально-композитной смеси на основе различных минералов - гранитной, базальтной крошки, метасиликата кальция и эпоксидной смолы. Затвердевший состав обладает высокими прочностными и декоративными свойствами, высокой адгезией к пенополиуретану, монолитность и водонепроницаемость. Сплошная минерально-композитная пленка гарантирует достаточно высокую влагозащиту и кратковременную огнезащиту. Технология предполагает изготовление относительно небольших строительных блоков и панелей, закрепляемых или устанавливаемых на основания и не являющихся самонесущими в связи с отсутствием жесткого несущего каркаса. Недостатком в отношении требований к ограждающим конструкциям является низкая нагрузочная способность при отсутствии силового каркаса и связанное с этим ограничение по размеру панелей.
Целью настоящего изобретения является построение многослойной изолирующей панели, обладающей высокой конструкционной прочностью, низкой теплоемкостью, высоким уровнем звукопоглощения, высокой огнестойкостью и экологичностью, позволяющими построение из нее монолитной внешней или внутренней ограждающей конструкции, стеновых, кровельных, декорирующих и самонесущих панелей перекрытия,
Суть технологии заключается в использовании сочетания слоев из пеноалюминия как конструктивообразущего материала, пеноминерального слоя - пеностекла или пенокерамики как огнестойкого слоя, пенополиуретана или пеноэпоксидной композиции с наполнителями и модификаторами или без, как формообразующего, связующего и теплоизолирующего материала, классических строительных материалов - керамической, клинкерной плитки, гипсокартонных плит, как отделочного. При этом, в отличие от широко применяемых технологий внешнего армирования листовыми материалами, основной несущий нагрузку конструктивообразующий слой находится в теле изделия, а не снаружи, а остальные слои формируются на нем и фиксируются без применения дополнительных удерживающих элементов благодаря высокой адгезии и огромной суммарной площади поверхности, определенной ячеистой структурой поверхности как пеноалюминия, так и пеноминералов.
3
Основой панели в качестве внутреннего жесткого конструкционного слоя используется листовой пеноалюминий с открытой структурой поверхности. Этот материал обладает высокой коррозионной стойкостью и конструкционной прочностью, при плотности 0,3-0,75 грамм/см прочность на сжатие составляет 1,3-2 МПа, на изгиб и растяжение 1,5-2 МПа, значительно пониженной по сравнению с листовым металлом удельной теплоемкостью, составляющей 0,268 W/m2/, негорючестью, высокой огнестойкостью - точка плавления поверхности составляет 780°С. Материал обладает огромной площадью поверхности, требуемой для надежной фиксации прилежащих слоев, очень высокой ударной прочностью, при этом прекрасно обрабатывается, режется, сверлится. Так же, обладая развитой структурой пор и высокой прочностью их стенок, наряду с природной пластичность материала, пеноалюминий имеет превосходные звукопоглощающие свойства в широком частотном диапазоне. Коэффициент акустического поглощения NRC составляет 0,7-0,75 - наивысший среди жестких материалов. В расчете на толщину панелей в 10 м, составляет от 10 до 20 dB, и для 20 мм от 20 до 40 dB, с незначительным, до 10% увеличением показателей при увеличении толщины панели до 30 мм. Дальнейшее увеличение толщины материала не приводит к значительному увеличению коэффициента поглощения, что в комплексе с достаточностью конструкционных свойств, позволяет ограничиться применением пеноалминиевых листов толщиной от 10 до 30 мм. Дополнительным положительным свойством пеноалюминия является высокий коэффициент подавления паразитных электромагнитных колебаний.
Существует закрытоячеистый и открытоячеистый пеноалминий, оба типа применимы в данной технологии и показывают примерно одинаковые свойства. При открытоячеистой технологии возможен больший расход связывающего пенополимерного материала в связи с более глубоким проникновением в структуру пеноалюминия, но при этом повышается общая конструкционная прочность.
Общая прочность материала достаточна для надежного монтажа в торцевых зонах крепежных элементов для фиксации панели в строительных проемах, стеновых конструкциях.
Основным объемоформирующим и теплоизоляционным слоем является слой жесткого пенополимера плотностью, соответствующей техническим требованиям панели, ее прочности и теплоемкости. Таким пенополимером может быть пенополиуретан или пеноэпоксидная композиция. Микродобавки в виде микрофибры, базальтовых, стекловолокон, полимерных волокон, значительно повышают прочность конструкции на давление, изгиб и разрыв, нанодобавки в виде углеродных наноматериалов с большой удельной площадь поверхности, добавляемые в пенокомпозит на основе эпоксидных смол, значительно увеличивает прочность и твердость пеноматериала без ухудшения термоизоляционных свойств.
Для обоих материалов возможно добавление стеклянных, керамических или полимерных микросфер, антипиренов, модифицирующих добавок, в значительной мере уменьшающие огнестойкость и горючесть свыше уровня самозатухания, Г3 - трудногорючий, свойственного исходному материалу, до уровня Г1 - слабогорючие, В1 - трудновоспломеняемые, выдерживают длительное воздействие температур до 250 градусов. Теплопроводность слоя может колебаться в пределах 0,0002-0,002 Вт/(м⋅K) в зависимости от применяемых добавок и плотности материала.
Закрытоячеистый жесткий пенополиуретан обладает хорошими звукоизолирущими свойствами. В зависимости от плотности пенополиуретана, вплоть до 1400 кг/м3, меняются как прочностные и теплоизоляционные, так и звукоизолирующие свойства. Даже самый плотный пенополиуретановый слой обладает теплопроводностью менее 0,08 Вт/(м⋅K), а прочность слоя при этом возрастает до 1,4 МПа на сжатие и свыше 2,3 на изгиб. Плотность материала определяет не только общий уровень звукоизоляции, но и эффективные области частотного диапазона звукопоглащения. Сочетание плотности слоев обеспечивает максимально широкий спектр звукоизоляции.
Высокие адгезионные свойства описанных пенополимеров и технология заливки в формах под естественным давлением, создаваемым в процессе пенообразования, позволяет этим материалам быть надежным связующим с покрывными слоями.
В случаях повышенной нагрузочной и конструкционной нагрузки слой может выполняться с увеличенной плотностью материала, либо армироваться полимерно-композитной сеткой объемного плетения, максимально охватывающего площадь сечения заливки, либо исполняться с добавлением модифицирущих нанодобавок, либо с сочетанием указанных мероприятий.
Для придания огнестойких свойств панели используется слой, состоящий из вспененных минералов - пеностекла, пенобазальта, пенокерамики, при умеренных требованиях к прочности покрытия - пеносиликата.
Технология производства пеносиликата позволяет наносить его непосредственно на пеноалюминиевую основу, поэтому допустимо отсутствие связующего слоя. При хороших показателях теплоемкости, пеносиликаты обладают недостаточной прочностью на изгиб и применение внутреннего армирования, особенно открытоячеистым пеноалюминием, позволяет значительно улучшить прочность изделия и его звукоизоляционные свойства при небольших сечениях панели. При сочетании данных материалов панель обладает превосходной паропроницаемостью.
Технология производства пеноминералов, таких, как пенокерамика и пеностекло, не позволяет наносить их непосредственно на основу, либо связана с определенными производственными затратами, потому, в качестве связующего используется слой композитного клея или пенокомпозита с добавлением антипиренов. Огнестойкий слой представляет из себя наборную панель из плит с перекрываемыми торцевыми замками. Толщина слоя варьируется в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации, материал способен выдерживать умеренно длительное воздействие высоких температур до 1000 градусов, при этом свыше температуры в 450 градусов происходит деформация поверхностных слоев, длительное - свыше 400-500 градусов, неразрушаемый рабочий диапазон температур - от -260 до 400 градусов. Естественная теплопроводность пеноминералов варьируется в пределах 0,04-0,08 Вт/(м⋅K). Так же пеноминерал, как жесткая ячеистая структура является превосходным звукоизолятором, с коэффициентом звукопоглощения до 56 Дб. Огнезащитный слой располагается со стороны панели, обращенной к зоне потенциальной опасности или с обоих сторон панели под отделочным слоем.
Поверхность пеноминерала представляет из себя конгломерат разрушенных обработкой полых сфер, и так же, как и пеноалминий, обладает огромной удельной поверхность, что, вместе с высокой адгезионной способность композитов к материалу пеноминерала, обеспечивает крайне высокую, практически неразрушаемую связь слоев ни при перепадах температур, ни при воздействии критических температур, ни при механическом воздействии. Связка «пеноалюминий - пенокомпозит - пеноминерал» представляет собой практически монолитную конструкцию, исключающую попадание воздуха и влаги во внутренние слои, и вместе формирующие панель с очень высокими прочностными характеристиками, крайне низкой теплопроводностью и высокими шумоизоляционными свойствами в широком спектре частот. Для наружной стороны панели используется пенокомпозит с пониженной плотностью, гарантирующий наличие точки росы ближе к поверхности внешнего слоя внутри вспененного закрытоячеистого гидроизолированного материала. Это гарантирует отсутствие конденсата, низкие механические нагрузки при тепловой деформации стыка пенокомпозита с пеноалюминием и высокий срок службы изделия. Поверхностная прочность определяется материалами отделки или обеспечивается внешними дополнительно монтируемыми элементами.
Все описанные основные материалы имеют большой срок службы, экологичны, имеют очень высокую взаимную адгезию друг к другу и последующим слоям, негигроскопичны, в течение срока эксплуатации не накапливают влагу и не изменяют своих свойств.
В качестве отделочного слоя допускается применение любых негорючих и слабогорчих материалов, имеющих высокую адгезию к используемому связующему полимеру либо с применением дополнительного клеевого слоя, либо с дополнительными фиксирующими элементами, сетками, анкерами. Непосредственно с пенокомпозитами оптимально использование керамической и клинкерной плитки, отделочных материалов на основе минеральной крошки с клеевой основой на эпоксидных составах. В случае отсутствия высоких требований к огнестойкости панели, допустимо применение отделочных изделий из низкоадгезивных к пенокомпозитам материалов, таких, как ПВХ, ПЭ, ABS, которые могут быть быть предварительно изготовлены с системой вплавляемых сеток и анкеров, углубляемых в пеноматериал для их надежной фиксации. При применении этих материалов поверх огнестойкого пеноминерального слоя, либо по слою пенополимера, выполненного с добавлением антипиренов и добавок, модифицирующих его под повышенные требования огнестойкости, общая огнестойкость панели сохраняется, так как температуры горения пластмасс в пределах 500°С недостаточно для стойкого разрушения внешних слоев и тем более слоя пеноалюминия, наличие с обратной стороны панели второго термоизолирующего слоя гарантирует высокие характеристики огнестойкости.
Сторона панели, используемая внутри помещений с умеренными требованиями по огнестойкости, имеет покрывной слой из гипсокартона или любое другое умеренно жесткое, хорошо обрабатываемое покрытие, способное держать конструктивную нагрузку, такую, как стеновые подвесы. С целью усиления пограничного внутреннего слоя под гипсоплитой, возможно добавление промежуточного слоя пенополимера с повышенной жесткость и упругость материала, способного выдерживать точечную нагрузку. Наличие с внутренней стороны под слоем гипсокартона огнестойкого пеноминерального слоя является достаточным условием для обеспечения прочности точечного монтажа бытовых приборов и подвесной мебели при использовании стандартных средств и креплений.
Структура панели, применяемой в качестве внешней стеновой ограждающей конструкции.
Для обеспечения условий достаточной конструкционной прочности, звукоизоляции, теплопроводности и огнестойкости внешняя заградительная панель может состоять из основного пеноалюминиевого слоя толщиной 20 мм, слоев пенокомпозита с обоих сторон в 50-100 мм с пониженной плотность внешнего, слоя пеноминерала с одной или двух сторон толщиной в 20 мм, слоя керамической плитки или минеральной крошки на композитно-клеевой основе толщиной в 5-10 мм с внешней стороны панели, слоя гипсокартона с внутренней стороны толщиной до 12 мм. Общая толщина панели, с параметрами теплоэффективности, соответствующими текущими СНИП для применения в умеренных широтах с температурой внешней среды от - 30°С, может составлять от 170 мм. Дальнейшее увеличение слоя пенополимера с сочетанием плотностей, пропорционально увеличивает соответствующие параметры панели. Общая теплопроводность слоистой панели может достигать 0,001-0,002 Вт/(м⋅K), при обеспечении высокой конструкционной прочности и огнестойкости.
Покрывные панели, такие, как напольная звукоизолирующая, накладная стеновая, монтируемые на существующие основания, могут быть выполнены в одностороннем исполнении, т.е. Слой пенополимера, пеноминерала при необходимости и декоративно-функциональный покрывной слой, как керамическая плитка, керамогранит, гранит, мрамор, искусственные композитные твердые покрытия, металл, пластик, могут наноситься только с одной строны пеноалюминиевой пластины. Благодаря ячеистой структуре пеноалюминия изделие монтируется на основания и надежно удерживается с применением общедоступных строительных клеевых смесей.
Самонесущие утепляющие панели перекрытий изготавливаются по аналогии с перегородочными. Допустимо использование слоя пеноалюминия, уменьшенного до 10 мм толщины, и более облегченного пенокомпозита с максимально низкой плотностью. Для усиления прочностных свойств изделия возможно формирование внешнего слоя пенокомпозита в виде поверхностно армированного усиливающего профиля с высотой ребра, достаточной для обеспечения самонесущих свойств.
В связи с особенность процесса производства пеноалюминиевых панелей для широкого рынка, их максимальный линейный размер ограничен. В случае необходимости изготовления панели с большими или сложными габаритами, таких, как монолитный стеновой блок с оконным и дверным проемом, отдельные пеноалюминиевые панели монтируются в усиливающий стальной или алюминиевый каркас и все дальнейшие производственные процессы соответствуют процессам изготовления стандартной монолитной панели. Прочность такой панели практически не меняется по параметрам сжатия и торцевой нагрузочной способности, незначительно уменьшается нагрузочная способность при приложении сил к площади места стыка. Объемное двухстороннее армирование пенополимерных слоев, прилежащих к пеноалюминию, в значительной мере решает проблему прочности панели и обеспечивает избыточную конструкционную прочность для вертикально монтируемых стеновых панелей с проемами и без, используемых как самонесущие в панельном многоэтажном строении и несущие в малоэтажном.
Как во внутреннем, так и внешнем слоях пенокомпозита возможно встраивание технологических полостей, кабельных и вентиляционных каналов.
Способ изготовления огнестойкой многослойной изолирующей панели на примере двухсторонней внешней заградительной конструкции, используемой в качестве стеновой панели.
На фиг 1 изображена двухсторонняя панель в разрезе, состоящая из следующих слоев:
1. Конструктивоформирующий слой из пеноалюминиевого листа
2. Объемоформирующий и связующий слой пенокомпозита
3. Огнестойкий слой пеноминерала в виде набора пластин с перекрывающими торцевыми замками
4. Внешний монолитный декоративный слой в виде минеральной крошки, связанной полимерно-композитным клеем
5. Объемоформирующий и связующий усиленный слой пенокомпозита
6. Внутренний функциональный гипсокартонный слой
7. Встроенный кабельный канал.
8. Встроенный вентиляционный канал
Огнестойкая многослойная изолирующая панель изготавливается методом последовательной или единовременной отливки из вспениваемого полимера в пресс-форме с предварительным размещением в ней предзаготовленных внешних элементов и слоев. Вторая сторона панели исполняется в аналогичном порядке, но пеноалюминиевая панель, закрепляемая в пресс-форме, уже имеет закрепленные внешние слои.
Для торцевых участков панели предусмотрен зазор, заливаемый пенокомпозитом. Для унифицированных и панелей, устанавливаемых в проемы зданий с применением стандартизированных креплений и анкеров, крепежные элементы встраиваются в панель на стадии формирования изделия в пресс-формах. Для остальных случаев используется стандартная система крепления панелей со сквозной прошивкой изделия с фиксацией крепления через пеноалюминиевую панель. Возможно обеспечение скрытой системы креплений.
На фиг 2 изображена структура панели, применяемой в качестве внутренней ограждающей конструкции (межкомнатная перегородка), без повышенных требований к огнестойкости, где схематически отображено:
1. Конструктивоформирущий слой из пеноалюминиевого листа
2. Объемоформирующий и связующий слой пенокомпозита
6. Внутренний функциональный гипсокартонный слой
На фиг 3 изображен вариант односторонней панели в виде монтируемой на готовое основание плитки с декоративным покрытием из монолитного натурального или искусственного мрамора, где схематически отображено:
1. Конструктивоформирущий слой из пеноалюминиевого листа
2. Объемоформирующий и связующий слой пенокомпозита
3. Огнестойкий слой пеноминерала в виде набора пластин с перекрывающими торцевыми замками
9. Слой термостойкого композитного клея
10. Искусственный или натуральный камень
Недостатком данной панели может считаться ее паронепроницаемость, кроме панели на основе открытоячеистого алюминия и газосиликата, что может отразиться на микроклимате внутри помещений, но, при выполнении современных требований к устройству вентиляции, применении современных вентилируемых светопрозрачных ограждающих конструкций или дополнительно монтируемых непосредственно в панель вентиляционных и фильтрующих устройств и вставок, проблема пароизоляции нивелируется. Большинство современных панелей, использующих листовые и пенополимерные материалы не обладают функцией паропропускания.
Техническим результатом изобретения является достижение высокой огнестойкости и энергоэффективности панели при обеспечении прочностных параметров, требуемых при возведении зданий и сооружений и норм пожарной безопасности.