МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЩИТ ОПАЛУБКИ С СОТОВЫМИ ЯЧЕЙКАМИ

Полезная модель относится к области строительства, а более конкретно - к элементам опалубки, и может быть использована при строительстве зданий гражданского или промышленного назначения при возведении монолитных бетонных и железобетонных конструкций, преимущественно при низких отрицательных температурах наружного воздуха.
Одним из наиболее трудоемких процессов при производстве бетонных работ в условиях строительной площадки являются опалубочные работы, трудоемкость которых составляет до 40...50% трудоемкости всего комплекса бетонных работ, а стоимость их не превышает 15...20%.
Стандартные конструкции опалубок (ГОСТ Р 52085-2003. Опалубка. Общие технические условия. - М.: Госстрой России, ГУЛ ЦПП, 2003; ГОСТ Р 52086-2003. Опалубка. Термины и определения. - М.: Госстрой России, ГУЛ ЦПП, 2003; СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции. - М.: Изд-во стандартов, 1995), используемые в строительстве и применяемые для изготовления бетонных и железобетонных конструкций в построечных условиях, выполняются из дерева, пластмасс, металла и т.д. и являются, как правило, однослойными. Для обеспечения геометрической неизменяемости щитов опалубки они имеют каркас в виде рамы и ребра жесткости, выполненные в виде уголков, пластин и т.д. Палуба, т.е. поверхность, которая непосредственно соприкасается с поверхностью бетонируемой конструкции, как правило, должна выполняться из водостойких материалов, покрываться слоем смазки, что позволяет обеспечить минимальное сцепление с поверхностью бетона и предохранить опалубку от увлажнения и тем самым обеспечить постоянство термического сопротивления и теплопроводности материала опалубки при ее применении.
Технология бетонных работ в целом, особенно в зимних условиях, относится к категории повышенной энергоемкости. Составляющая энергозатрат складывается из затрат на технологию укладки и расхода энергии на тепловую обработку при выдерживании бетона в конструкции. Последние затраты необходимы для компенсации теплопотерь в окружающую среду.
Теплопотери бетонной смеси зависят от продолжительности формования, разности температур бетонной смеси и окружающей среды, площади открытой поверхности испарения, интенсивности укладки бетона, скорости и направления ветра и т.д.
На формирование температурного поля в теле бетона, его физико-механические свойства большое влияние оказывает теплообмен конструкций с внешней средой. Теплообмен в зимних условиях значительно повышается и сохранение положительных температур в бетоне вызывает известные трудности и приводит в конечном итоге к увеличению себестоимости производства бетонных работ на 50-80% по сравнению с летним периодом.
Одной из особенностей теплообмена конструкций является то, что при возведении бетонных конструкций бетон находится в оболочке: металлической или деревянной опалубке.
Для улучшения теплового режима твердения бетона в конструкции применяют опалубки, в которых опалубочные щиты выполнены из малотеплопроводных материалов, например, из дерева, что позволяет повысить термическое сопротивление опалубочной формы и снизить тепловые потери при выдерживании бетона в конструкции.
Примером опалубки, в которой палуба щитов выполнена из дерева, является опалубка, представленная в источнике: Штоль Т.М. и др. Технология возведения подземной части зданий и сооружений / Т.М.Штоль, В.И.Теличенко, В.И.Феклин. - М.: Стройиздат, 1990. - 288 с., страница 115, рисунок 6.11, б.
Однако, такая опалубка при определенных условиях (а именно в условиях зимнего бетонирования при отрицательных температурах наружного
воздуха) не может обеспечить оптимальные условия для твердения бетона в виду того, что толщины слоя древесины оказывается недостаточным и требуется дополнительное утепление данной опалубки. Кроме этого, технологичность деревянной опалубки низкая и она малонадежная.
Главным достоинством опалубок из металлических щитов является их высокий коэффициент оборачиваемости. При этом существенно снижаются допуски на линейные размеры бетонируемых конструкций, а также сокращается технологическое время на сборку и разборку опалубок. Важным фактором является и позитивное решение связанных с производственным циклом экологических проблем - практически исключается использование древесины и других утеплителей.
Металлическая опалубка является более технологичной и надежной. Применение металлической опалубки позволяет обеспечить жесткость, геометрическую неизменяемость, высокую оборачиваемость, точность монтажа и т.д. При нормальной эксплуатации металлическую опалубку можно использовать до 200 и более циклов. В то время как оборачиваемость деревянной инвентарной опалубки не более 10...15 циклов.
Известны металлические щиты опалубки типа «Монолит», содержащие несущий каркас в виде рамы, палубу (обшивку) и поперечные ребра жесткости (Технология строительного производства // Под общ. ред. О.О.Литвинова. - Киев. - Вища школа, 1977. - 456 с., страница 170, рисунок VII.4, а).
Однако в условиях зимнего бетонирования опалубка из щитов типа «Монолит» имеет недостаток: из-за высокой теплопроводности металлической опалубки невозможно обеспечить нормальные условия твердения бетона в конструкции без дополнительного утепления щитов опалубки. На строительных объектах зачастую металлическую опалубку укрывают водонепроницаемым пологом с последующей засыпкой опилками. Нередки случаи, когда металлическая опалубка не утепляется вообще, что приводит к промерзанию бетона. Поэтому, существующая технология далеко не энергосберегающая.
По существенным признакам металлический щит опалубки типа «Монолит» является наиболее близким к заявляемой конструкции щита опалубки и был принят за прототип.
Задача полезной модели - создать конструкцию металлического щита опалубки, позволяющую снизить теплопотери при выполнении бетонных работ и обеспечить оптимальные условия для твердения бетона в зимних условиях при температурах наружного воздуха минус 15°С и ниже, тем самым снизить ресурсо-энергозатраты при выдерживании бетона в зимних условиях.
Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в снижении теплопроводности щита опалубки за счет снижения конвективных токов воздуха и в обеспечении равномерного температурного поля по всему сечению бетонной конструкции.
Технический результат достигается следующим образом: металлический щит опалубки, включающий металлический несущий каркас в виде рамы, палубу с одной стороны каркаса и поперечные ребра жесткости, согласно заявленной полезной модели, дополнительно содержит наружную обшивку, выполненную на противоположной стороне каркаса, и продольные и поперечные перегородки, установленные между палубой и наружной обшивкой с образованием по толщине щита двух слоев замкнутых воздушных ячеек. Перегородки, образующие замкнутые воздушные ячейки, могут быть выполнены в виде пластин из металла или в виде пластин из пластмассы.
Таким образом, заявленный металлический щит опалубки отличается от прототипа тем, что:
- он дополнительно содержит наружную обшивку, выполненную на противоположной стороне каркаса, и продольные и поперечные перегородки, установленные между палубой и наружной обшивкой с образованием по толщине щита двух слоев замкнутых воздушных ячеек (сот);
- перегородки, образующие замкнутые воздушные ячейки, выполнены в виде пластин из металла;
- перегородки, образующие замкнутые воздушные ячейки, выполнены в виде пластин из пластмассы.
Это говорит о новизне заявляемого металлического щита опалубки.
Предложенная конструкция щита за счет наличия замкнутых ячеек имеет множество невентилируемых воздушных прослоек, которые играют роль утеплителя («сотовый утеплитель»).
Эффективная теплопроводность слоя газа (воздуха), как известно, определяется в основном свободно-конвективным переносом тепла, который в свою очередь зависит от разности температур поверхности и окружающей среды.
Замкнутые двухслойные воздушные прослойки в металлических щитах опалубки оказывают влияние на коэффициент тепловой проводимости, уменьшая его. Это происходит за счет того, что путем создания замкнутых ячеек, воздух, защемленный в них, играет роль теплоизолятора, повышая термическое сопротивление щита металлической опалубки и снижая его тепловую проводимость. Применение воздуха в качестве теплоизолятора ведет к тому, что не требуется дополнительного утепления обычной металлической опалубки теплоизоляционными материалами при выдерживании бетона в зимних условиях. Тем самым уменьшаются тепловые потери в процессе твердения бетона и снижаются ресурсо-энергозатраты.
Применение в металлическом щите опалубки «сотового утеплителя» в два слоя в виде замкнутых воздушных прослоек-сот является более эффективным по сравнению с однослойной системой и позволяет существенно повысить термическое сопротивление и снизить коэффициент теплопередачи. При переходе от однослойной к двухслойной системе сотовых конструкций в металлической опалубке наблюдается наибольшее снижение тепловой проводимости. Дальнейшее увеличение слоев сотового утеплителя не дает заметного прироста в тепловой эффективности, усложняя при этом конструкцию и повышая металлоемкость. Поэтому наиболее оптимальными будут являться опалубки с количеством слоев равным двум. При разработке технологического
процесса набора прочности бетона одним из наиболее важных параметров является величина удельных теплопотерь с поверхности изделий (плотность теплового потока). Для двухслойных «сотовых систем» величина удельных тепловых потерь оказывается существенно ниже, чем для однослойных систем. Поэтому применение металлических опалубочных щитов с двухслойным сотовым утеплителем является более предпочтительным вариантом в качестве опалубки в условиях низких отрицательных температур воздуха.
Применение в качестве поперечных и продольных пластин, которые образуют сотовые ячейки, малотеплопроводного материала, например, пластмассы, повышает термическое сопротивление металлического щита опалубки и, соответственно, уменьшает его тепловую проводимость. Это связано с тем, что, чтобы создать замкнутые ячейки, необходимо, чтобы продольные и поперечные пластины соприкасались и плотно прижимались или крепились к палубе (обшивке) с одной стороны и к наружной обшивке с другой стороны. Если в качестве материала этих пластин используется металл, который является высоко теплопроводным материалом в силу своих теплофизических свойств, то эти пластины являются мостиками холода (проводимости). Тем самым теплоизоляционные свойства металлического щита ухудшаются, но в сравнении с прототипом за счет замкнутых воздушных прослоек термическое сопротивление металлического щита опалубки повышается, и, соответственно, уменьшается его теплопроводность. Если в качестве пластин используется малотеплопроводный материал, например, пластмасса, то мостики холода ликвидируются и теплоизоляционные свойства металлического щита опалубки с сотовыми ячейками из малотеплопроводного материала повышаются.
Результаты экспериментальных исследований металлической опалубки типа «Монолит» (без «сотового утеплителя»), деревянной опалубки (без «сотового утеплителя») и металлической опалубки с двухслойным «сотовым утеплителем» при выдерживании бетонных конструкций с электропрогревом
в зимних условиях показали, что опалубка, выполненная из щитов согласно заявляемой полезной модели в 2,5 раза работает лучше (эффективнее), чем металлическая опалубка типа «Монолит» и в 2 раза лучше (эффективнее), чем деревянная опалубка. При этом высота воздушных прослоек в каждом слое может быть небольшой и определяется в основном конструктивными требованиями.
Поэтому в данной полезной модели в качестве перспективного утеплителя металлической опалубки предлагаются воздушные прослойки-соты, расположенные в два слоя, которые экономичны и обеспечивают четко прогнозируемые характеристики при производстве бетонных в зимних условиях.
Предложенная конструкция щита опалубки позволит существенно снизить существующие издержки, что даст возможность обеспечить требуемую прочность при прогнозированном температурном поле.
На фиг.1 представлен общий вид металлического щита опалубки. На фиг.2 - продольный разрез щита. На фиг.3 - поперечный разрез щита.
Предложенный металлический щит опалубки содержит: палубу (обшивку) 1, наружную обшивку 2, каркас 3 в виде рамы, поперечные ребра жесткости 4, продольные перегородки, выполненные из пластин 5, поперечные перегородки, выполненные из пластин 6, замкнутые воздушные ячейки 7, расположенные в два слоя.
Изготовление и сборка металлического щита опалубки осуществляется следующим образом. Металлический несущий каркас ^ щита опалубки собирается в единую раму из прокатного профиля, например, в виде уголка. С одной стороны к полкам уголка закрепляется палуба (обшивка) 7, которая в дальнейшем будет соприкасаться с поверхностью бетонируемой конструкции. Для повышения жесткости каркаса 3 щита опалубки устанавливаются поперечные ребра жесткости 4 из уголков. В образовавшееся пространство плотно устанавливаются или жестко закрепляются поперечные 6 и продольные 5 пластины, заранее соединенные между собой в единую конструкцию. Для создания замкнутых воздушных ячеек к металлическому несущему
каркасу 3 щита опалубки с другой стороны крепится наружная обшивка, 2. В результате этого во внутренней полости металлического щита, образованного палубой 1, наружной обшивкой 2 и продольными 5 и поперечными 6 пластинами, получаются замкнутые воздушные ячейки 7, которые повышают термическое сопротивление металлического щита опалубки и, соответственно, способствуют снижению его теплопроводности.
Данные металлические щиты удобны в использовании, производятся в заводских условиях, затем доставляются на строительную площадку. В дальнейшем на строительной площадке для выполнения бетонных работ по устройству монолитных бетонных конструкций данные металлические щиты опалубки устанавливаются в качестве той формы, которая обеспечивает необходимые геометрические размеры бетонных конструкций. При этом данные металлические щиты опалубки позволяют существенно снизить ресурсо-энергозатраты при выдерживании бетона в процессе его твердения в зимних условиях по сравнению с обычными опалубочными щитами.