СТРОИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ ЯЧЕИСТОГО КАРКАСА

Изобретение относится к промышленному и гражданскому строительству и может быть использовано при строительстве верхнего строения пути железнодорожной дороги, верхнего слоя покрытия автомобильных и пешеходных дорог, в качестве ленточных фундаментов под щитовыми домами, каркасными коттеджами и домами из дерева.
Известен строительный элемент, состоящий из ячеистого каркаса с пространственными ячейками, и наполнителя, при этом каркас выполнен из древесины, а в качестве наполнителя ячеек использованы камышитовые стебли или камышитовые маты и пенополиуретан, которые представляют собой монолитную массу, соединенную всей своей поверхностью с каркасом (патент РФ №54983 на полезную модель «Строительная панель и способ ее изготовления», приоритет от 2004.12.28, опубликован 2006.07.27).
Известный строительный элемент обладает недостаточными для строительства железнодорожных, автомобильных и пешеходных дорог, ленточных фундаментов прочностью и упругостью.
Известен также строительный элемент на основе ячеистого каркаса, описанный в патенте РФ №2224854 на изобретение «Строительная панель и способ ее изготовления» с приоритетом от 2002.02.04, опубликованный 2004.02.27) и выбранный в качестве прототипа.
Данный строительный элемент состоит из ячеистого каркаса с пространственными ячейками, и наполнителя, при этом каркас выполнен из стальной проволоки, а в качестве наполнителя, расположенного на расстоянии не менее 10-50 мм от определяющих его толщину плоскостей, использован пенополиуретан "Изолан 101", толщина которого составляет (0,1-0,9) от толщины каркаса.
Перед изготовлением данного строительного элемента необходимо очистить металлические поверхности от отслаивающейся ржавчины, пыли и грязи, а при наличии жировых загрязнений - обезжирить. Затем внутри металлического каркаса, на заданном расстоянии от плоскости, образованной стороной каркаса, создают опорную поверхность в виде насыпи заданной высоты из сухого сыпучего материала, например, сухого песка и выравнивают эту насыпь до получения на ней поверхности, параллельной соответствующей плоскости каркаса. С помощью распылительной установки подают смесь компонентов "Изолан 101", а затем опорную поверхность убирают, при этом подачу смеси осуществляют, сканируя опорную поверхность путем перемещения над ней форсунки распылительной установки, причем толщина получаемого наполнителя зависит от скорости сканирования и расхода смеси.
Известный строительный элемент имеет хорошие теплоизоляционные свойства, но при этом достаточно сложен при изготовлении, что сказывается на его себестоимости. Данный строительный элемент не обладает достаточной прочностью и упругостью, которые необходимы для строительства железнодорожных, автомобильных и пешеходных дорог, ленточных фундаментов.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание строительного элемента конструктивно и технологически простого, дешевого и обладающего необходимыми показателями прочности и упругости, позволяющими использование заявляемого строительного элемента в условиях повышенных статических и динамических нагрузок, например, при строительстве верхнего строения пути железнодорожной дороги, верхнего слоя покрытия автомобильных и пешеходных дорогах, в качестве ленточных фундаментов под щитовыми домами, каркасными коттеджами и домами из дерева.
Решением данной задачи является заявляемый строительный элемент, состоящий из ячеистого каркаса с пространственными ячейками и наполнителя, новым в котором является то, что ячеистый каркас представляет собой сотовую конструкцию, выполненную из полимерных элементов, соединенных между собой, а в качестве упругого наполнителя используется смесь неорганического вяжущего материала, инертного материала, комплексной полимерной добавки полифункционального действия и воды, при этом строительный элемент в целом имеет модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей.
В строительном элементе каркас может быть выполнен полым, а стенки каркаса могут иметь перфорацию.
В качестве неорганического вяжущего материала может быть использован цемент, а в качестве инертного материала могут быть использованы земля и/или песок и/или гравий и/или щебень и/или керамзит и/или асфальтовая крошка и/или бой кирпича и/или отходы ферросплавного производства. Используемая полимерная добавка может быть выполнена на основе латекса, а количество полимерной добавки может быть равно 5-50% от массы неорганического вяжущего материала.
Ячеистый каркас в виде сотовой конструкции, выполненной из полимерных элементов, соединенных между собой, является компактным элементом, в котором стенки ячеек и места соединений элементов являются ребрами жесткости, увеличивающими прочность конструкции, степень устойчивости в горизонтальном и вертикальном направлениях и сопротивляемость изгибу. Ячеистый каркас обладает низкой материалоемкостью, что сказывается на его себестоимости. Глубина ячеек каркаса определяет толщину строительного элемента. Выполнение каркаса полым еще больше снижает его материалоемкость.
В каждой ячейке каркаса наполнитель находится в контакте только с ее стенками, а при наличии в стенках каркаса перфорации образуется дополнительная связь между наполнителями соседних ячеек, а при выполнении ячеек каркаса полыми - обеспечивается непосредственная связь наполнителя с основанием (грунтом), на которое уложен строительный элемент. Таким образом, при любом из перечисленных вариантов выполнения, каркас, ячейки которого заполнены наполнителем, представляет собой плиту, которая при эксплуатации в условиях повышенных статических и динамических нагрузок распределяет действующие на нее нагрузки на большие поверхности основания (грунта), в результате чего снижается величина вертикального напряжения на это основание.
Известно, что с увеличением упругих свойств бетона (в данном случае - наполнителя) прочностные свойства бетона уменьшаются. Для надежной работы заявляемого строительного элемента в условиях повышенных статических и динамических нагрузок определяющим является модуль упругости (от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей) строительного элемента в целом. При этом прочностные свойства строительного элемента для работы в условиях повышенных нагрузок, регламентируются нормативными документами: предел прочности к механическому разрушению равен 2,5-20 мега паскалей. Упругость строительного элемента обеспечивается конструкцией каркаса и, связанного с ним, наполнителя, упругие и прочностные свойства которого являются определяющими и оптимизируются комплексной полимерной добавкой полифункционального действия (комплексный модификатор бетона), количество которой (5-50% от массы неорганического вяжущего материала - цемента) выбирается в зависимости от вида и свойств используемого инертного материала. Полимерная добавка одновременно с увеличением упругости наполнителя, увеличивает и его прочность, в частности за счет повышения водонепроницаемости и стойкости к образованию трещин, уменьшения усадочных деформаций. Полимерная добавка полифункционального действия выбирается из числа известных добавок, например, комплексный модификатор бетона по патенту РФ №2288197, или добавка «Ренолит», выполненная на основе латекса, выполняющего роль вяжущего материала в дополнение к неорганическому вяжущему материалу (цементу), что позволяет для достижения заданных упругих свойств наполнителя уменьшить долю добавки, то есть снизить стоимость строительного элемента. Так при использовании в качестве инертного материала песка, доля полимерной добавки составляет 5-8%, а для жестких инертных материалов (щебень) - 10-40%. Данная пропорция получена эмпирическим путем.
Использование в качестве инертных материалов подручных (имеющихся в достаточном количестве) материалов также позволяет снизить себестоимость заявляемого строительного элемента.
Для изготовления заявляемого строительного элемента на основе ячеистого каркаса, имеющего простую и компактную конструкцию, не требуется какого-либо специального оборудования.
Авторам известно использование ячеистого каркаса из полимерных элементов для объемного усиления (армирования) грунтов (при строительстве автомобильных и железных дорог, аэродромов), для защиты их от эрозии, в частности, для защиты от эрозии откосов насыпей и выемок дорог (СТО 218.3.005/2-2007 «Решетка геотекстильная каркасная марки «Геомат»). При любом из вышеперечисленных вариантов использования ячеистого каркаса применяется традиционный подход: ячейки наполняют грунтом, щебнем или песком, затем наполнитель уплотняют, а с целью защиты наполненного каркаса от разрушения, формируют поверхностное покрытие (асфальт, щебень) которое принимает основные нагрузки. Такой подход приводит к перерасходу строительных материалов.
Авторам не известно использование строительного элемента на основе ячеистого каркаса без поверхностного защитного покрытия при работе в условиях высоких статических и динамических нагрузок, например, в качестве подшпального основания при строительстве железнодорожных дорог, верхнего слоя покрытия автомобильных и пешеходных дорог, в качестве ленточных фундаментов. Предлагаемое техническое решение преодолевает стереотипность мышления специалистов в данной области и выводит использование строительных элементов на основе ячеистого каркаса на новую ступень развития без поверхностного защитного покрытия в условиях повышенных нагрузок, обеспечивая новые возможности, что позволяет говорить о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где схематично изображено: на фиг.1 - ячеистый каркас; на фиг.2 - строительный элемент в сборе.
Строительный элемент состоит из ячеистого каркаса 1 с пространственными ячейками 2. Ячеистый каркас 1 представляет собой сотовую конструкцию, выполненную из полимерных элементов 3, соединенных между собой. Ячейки 2 каркаса 1 заполнены упругим наполнителем 4. В качестве упругого наполнителя 3 используется смесь неорганического вяжущего материала, инертного материала, комплексной полимерной добавки полифункционального действия и воды. Готовый строительный элемент в целом имеет модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей.
Глубина пространственных ячеек 2 соответствует желаемой толщине изготавливаемого строительного элемента, а толщина стенок ячеек 2 выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации и свойств наполнителя и может быть равна 1,5-10 мм.
Заявляемый строительный элемент изготавливают следующим образом:
- составляют смесь (наполнитель) из неорганического вяжущего материала, инертного материала, полимерной добавки и воды;
- перемешивают в миксере;
- заполняют ячейки 2 каркаса 1 подготовленным наполнителем;
- уплотняют.
После высыхания наполнителя строительный элемент считается готовым к применению.
Для придания строительному элементу необходимых упругих свойств (модуль упругости от 1500 мега паскалей до 21000 мега паскалей) и сохранения прочностных свойств (предел прочности к механическому разрушению 2,5-20 мега паскалей) определяют количество каждого из компонентов наполнителя исходя из типа выбранного инертного материала.
Пример 1. Каркас выполнен из полиэтилена высокого давления. При использовании в качестве неорганического вяжущего материала цемента, в качестве инертного материала - песка, в качестве комплексной полимерной добавки - добавка на основе латекса «Ренолит», количественное соотношение компонентов будет следующим: цемент - 8-10% от веса песка, «Ренолит» - 5% от веса цемента, вода - 12% от веса песка. Изготовленный с данным наполнителем строительный элемент на основе ячеистого каркаса имеет модуль упругости 6500 мега паскалей.
Пример 2. Каркас выполнен из полиэтилена высокого давления. При использовании в качестве неорганического вяжущего материала цемента, в качестве инертного материала - щебеня мелкой или средней фракции, в качестве полимерной добавки - добавку на основе латекса «Ренолит», количественное соотношение компонентов будет следующим: цемент - 10-16% от веса щебня, «Ренолит» - 10% от веса цемента, вода - 5% от веса щебня. Изготовленный с данным наполнителем строительный элемент имеет модуль упругости 9000 мега паскалей.
Метод выбора конкретных соотношений компонентов наполнителя является авторским и основан на личных знаниях и опыте работы авторов.
Готовые строительные элементы привозят к месту применения и последовательно укладывают их непосредственно на подготовленное основание (например, на уплотненный грунт) или на герметизирующую прослойку вплотную друг к другу. После укладки строительных элементов образуется единая конструкция, пригодная к эксплуатации и не требующая дополнительного поверхностного защитного покрытия.
Строительные элементы могут изготавливаться непосредственно на месте: ячеистый каркас укладывают на подготовленное основание, заполняют подготовленной смесью, уплотняют.
Под действием статических и динамических нагрузок полимерные элементы 3 каркаса 1 принимают на себя часть этих нагрузок, а оставшаяся нагрузка передается на соседние ячейки 2 с наполнителем 4. Ячейки 2, связанные между собой в пространственной структуре каркаса 1 распределяют нагрузку на большие поверхности основания, в результате снижается величина вертикального напряжения на основание, то есть снижается вероятность его разрушения. Благодаря упругим свойствам наполнителя снижается уровень разрушительных упругих колебаний в строительном элементе, что также увеличивает защиту основания.
Полученный строительный элемент обладает высокими показателями прочности и упругости, необходимыми для строительства железнодорожных и автомобильных дорог, ленточных фундаментов, защитных ограждений и т.п.
Таким образом, предлагаемый строительный элемент на основе ячеистого каркаса конструктивно и технологически прост, имеет малую себестоимость и обладает необходимыми показателями прочности и упругости, позволяющими использование заявляемого строительного элемента без защитного покрытия в условиях повышенных статических и динамических нагрузок.