СИЛИКАТНЫЙ ПУСТОТНЫЙ КАМЕНЬ

Полезная модель относится к области производства строительных материалов, а именно к конструкциям силикатных пустотных камней (СПК), применяемых при кладке наружных и внутренних стен зданий.
Известны силикатные кирпичи и камни (блоки) с системой круговых цилиндрических пустот (КЦП) с прямоугольной или шахматной системой их положения [ГОСТ 379-95].
С
Недостатком таких форм является то, что использование круговых цилиндрических пустот для силикатных материалов, имеющих высокую теплопроводность (λ≈0,7 Вт/(м·°С)), целесообразно только с позиций производства (экономия материала) - с точки зрения теплофизики КЦП не имеют смысла [Ильинский В.М. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1974. - С.42].
Известен силикатный пустотно-утепленный блок (СПУБ) (Патент RU 115797 по кл. Е04С 1/00, заявл. 28.12.2011 г.) с призматической полостью, заполняемой утеплителем и малыми щелевыми пустотами.
Недостаток такой формы заключается в том, что использовать в строительном изделии материалы с разными сроками эксплуатации не рационально. При утрате теплотехнических свойств утеплителем, значительно уменьшаются теплотехнические свойства кладки из СПУБ. Кроме того, в СПУБ, вследствие высокой степени пустотности, снижена сдвиговая прочность кладки.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту и выбранный в качестве прототипа являются кирпич (Патент RU 2183710 по кл. Е04С 1/00, заявл. 03.06.1999 г.) с системой щелевых пустот (ЩП) и шахматной системой их положения. Пустоты размещены с чередованием рядов так, что один ряд содержит две прямоугольных пустоты (ПП) основной длины, а другой - одну ПП основной длины между двух ПП доборной длины. Перемычки в смежных рядах смещены относительно друг друга на 0,6 основной длины ПП.
Недостаток такой формы заключается в том, что заявленные автором геометрические параметры ЩП ограничивают возможности устройства более трех-четырех рядов ПП и, следовательно, эффективного использования теплового сопротивления воздушных прослоек (ВП). Кроме того, большая длина основных ПП и их не совместимость по смежным по высоте рядам кладки снижают объемную, пространственную прочность кирпича.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение теплопроводности камня, увеличение сдвиговой прочности кладки, повышение потребительских качеств камня.
Указанный технический результат достигается тем, что СПК в виде прямоугольного параллелепипеда с системой щелевых пустот и шахматной системой их положения, состоящей из пустот основной и доборной длины и отделенных друг от друга по длине ряда перемычками имеет пустоты, открытые только снизу, выполненные в виде гиперэллиптических цилиндров и полуцилиндров, открытых по тычковым граням, ориентированных большой осью, превышающей не менее чем в три раза малую ось, параллельно плоскости стены, отделенных друг от друга по длине ряда перемычками переменной толщины. На постельных гранях камень имеет систему опорно-сдвиговых усеченных пирамид. Лицевой слой камня объемно окрашен, гидрофобизирован и имеет офактуренную поверхность.
На фиг.1 представлен фрагмент «классической» кладки из малоформатного кирпича. Размеры камня определяются следующими зависимостями:
к
к
где L, Н - соответственно, длина и высота СПК;
1
1
1
1
1
1
L, B, H - габаритные размеры (длина, ширина и высота) малоформатного, стандартного кирпича: L=250 мм; B=120 мм; H=65 мм;
в
г
в
г
Δ, Δ - толщины вертикального и горизонтального цементно-песчаных швов «классической» кладки: Δ=10 мм; Δ=11 мм;
К, М - типоразмерные параметры СПК: К=1; 1,5; 2; М=3.
Эллиптические цилиндрические пустоты (ЭЦП) (фиг.2) размещены с чередованием i (i=1, 2,…, m) рядов так, что между двумя боковыми рядами (i=1 и i=m) пустот у ложковых граней СПК поочередно располагаются основной ряд, содержащий n (n=2, 4, 6…) пустот основной длины, и доборный ряд, содержащий n-1 пустот основной длины, расположенных между двух малых пустот (полуэллипсов, открытых по тычковым граням СПК) доборной длины. При этом «мостик холода» по вертикальному шву 1 перестает быть прямолинейным, а «мостик холода» 2 имеет максимально возможную длину. В боковых рядах располагаются 2n-1 ЭЦП.
Эллипсы («гиперэллипсы») боковых, основных и доборных рядов описываются уравнением:
где k - степень «гиперэллипсов»: k=2, 3, 4, 6,…;
а, b - полуоси эллипсов.
Рациональное сочетание поверхностной и объемной прочности с высокими теплотехническими характеристиками СПК обеспечивается при следующих параметрах «гиперэллипсов»:
1
1
1
1
- для боковых рядов (i=1 и i=m) с размерами сечений ЭЦП a-b, a'-b-k=1 («квадратный» эллипс), повышающий поверхностную прочность СПК за счет «арочного» эффекта;
- для рядов, примыкающих к боковым, (i=2 и i=m-1)-k=3 («кубический» эллипс, для х≥0 и y≥0, во 2-4 октанте декартовой системы координат контур эллипса отображается симметрично относительно осей x и y);
- для остальных рядов - k=4, 6, 8 (k=4 - «биквадратный» эллипс).
Кроме того, тепловое сопротивление ЭЦП оказывается значительным при соотношении l/δ>3 (l=2a - длина и δ=А/l - приведенная к расчетному прямоугольному сечению толщина, А=µ·a·b - площадь «гиперэллипса», µ - коэффициент для k=2, 3, 4, 6, 8) - в этом случае пустоты считаются воздушными прослойками (ВП) [Ильинский В.М. Строительная теплофизика (Ограждающие конструкции и микроклимат зданий). - М.: Высшая школа, 1974. - С.42]. Для k=2 - µ=3,1415; для k=3 - µ≈3,59; для k=4 - µ≈3,69; для k=6 - µ≈3,81; для k=8 - µ≈3,85.
Топология расположения эллипсов в рядах (за исключением боковых рядов) подобрана (см. фиг.2) таким образом, что при сдвиге СПК вышележащего ряда на L'/2 по отношению к камням нижнего ряда происходит совпадение большей части ЭЦП и стенок структуры. Это позволяет рационально, с минимальной концентрацией напряжений, «передавать» нагрузки с верхних рядов кладки на нижние ряды.
Геометрические параметры СПК связаны следующими зависимостями (см. фиг.2):
для основных и доборных рядов ВП (i=2,…, m-1):
для боковых рядов ВП (i=1 и i=m}:
1
1
2
где а, a, a', a - полуоси основных и доборных эллипсов;
1
2
2
δ, δ, Δ - минимальные толщины стенок у краев камня;
1
3
Δ, Δ, Δ - минимальные толщины стенок между эллипсами в рядах;
δ - расстояние между рядами эллипсов;
в
г
δ, δ - соответственно, толщины вертикального и горизонтального клеевых растворных швов.
пр
пр
n
*
Некоторые геометрические, структурные, физико-механические и теплотехнические характеристики СПК представлены в табл.1, где λ - приведенный коэффициент теплопроводности; R - приведенное тепловое сопротивление СПК; k  - коэффициент объемной пористости СПК:
где η - конструктивный коэффициент, учитывающий перекрытие ЭЦП у верхней постельной поверхности СПК: η≈0,97;
n
k - коэффициент пористости по горизонтальному сечению СПК;
i
i
i
µ, a, b - параметры «гиперэллипсов» (см. выше).
Отдельные варианты СПК показаны на фиг.3:
к
к
- под пунктом а) изображен лицевой СПК формата B/L=12/52 см, где 3 - объемно окрашенный и гидрофобизированный лицевой слой, имеющий офактуренную поверхность - фасадная часть СПК показана на фиг.4а.
к
к
- под пунктом б) изображен рядовой СПК формата В/L=15/39 см.
к
к
пр
2
- под пунктом в) изображен лицевой СПК формата B/L=38/26 см - фасадная часть СПК показана на фиг.4б. Стена из СПК формата 38/26 полностью удовлетворяет самым жестким требованиям теплотехники - R=3,80°С·м/Вт.
1
1
1
2
На верхней постельной грани СПК имеет систему опорно-сдвиговых усеченных пирамид (ОСУП) с размерами нижнего основания пирамиды с×с, верхнего основания с×с и высотой h - фиг.5. На нижней постельной грани СПК имеет конгруэнтные им пирамидальные выемки, высотой h. Параметры опорно-сдвиговых усеченных пирамид и топология их положения в камне обеспечивает точное наложение камней, смежных по высоте кладки. Система ОСУП позволяет сохранить сдвиговую прочность кладки даже при появлении «волосяных» трещин по клеевым растворным швам.
Кладка из СПК Л Пу - 12/52 и СПК Л Пу - 38/26 предполагает наличие угловых (правого и левого) СПК (У СПК) - фиг.6. УСПК имеет формат 12/39×26 с системами ЭЦП и ОСУП, идентичными СПК формата 12/52. УСПК выполняется «левым» и «правым» (первое - зеркальное отражение второго).
Лицевой слой УСПК, аналогично СПК Л Пу - 12/52 и СПК Л Пу - 38/26 имеет различные офактуренные поверхности (фиг.7): а) имитирующие кладку из малоформатного кирпича; б) природный пиленый камень; в) природный колотый камень и др.
На фиг.8 изображены фрагменты 2 рядов кладки из СПК формата 38/26 и УСПК. В этом случае в угловых зонах предусматривается утепление - 4 (например, вкладышами из пеностекла «неопорм» (пеностекло) размерами 128×258×228 мм), а в зоне 5 устранять зазор (например, при помощи монтажной пены).
СПК может быть изготовлен на любом специализирующемся в данной отрасли предприятии. Такой камень может быть широко использован при строительстве объектов промышленного и гражданского назначения, т.е. является промышленно применяемым.
Высокая пустотность и габаритные размеры камня обеспечивают вес, приемлемый для ручной кладки.
Основные преимущества заявляемой полезной модели:
- оптимальные параметры «гиперэллипсов» и топология их положения в камне позволяют эффективно использовать тепловое сопротивление эллиптических щелевых воздушных прослоек при рациональном соотношении противоречивых характеристик СПК: тепловое сопротивление - поверхностная и объемная прочность - вес камня;
- опорно-сдвиговые усеченные пирамиды существенно упрощают установку камня при кладке (за счет эффекта автоматического центрирования) и повышают сдвиговую прочность кладки;
- объемно-окрашенный и гидрофобизированный лицевой слой с офактуренной поверхностью позволяет сохранить «классический» архитектурный вид сооружения, повысить долговечность фасада и камня, исключить оштукатуривание фасада (фиг.9).
Таблица 1
Геометрические, структурные, физико-механические и теплотехнические характеристики силикатного пустотного камня
№ п/п
Геометрические размеры СПК, мм
m
n
k<sub>n</sub>*
Геплотехнические характеристики
Вес, кг
L<sub>к</sub>
В<sub>к</sub>
Н<sub>к</sub>
λ<sub>пр</sub>, Вт/м°С
R<sub>пр</sub>, C·м<sup>2</sup>/Bm
1
<img file="00000008.tif" he="13" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" />
120
228
до 10
8; 10; 12
до 0,40
до 0,12
до 1,00
до 17
2
<img file="00000009.tif" he="12" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
250
228
до 22
6; 8
до 0,42
до 0,11
до 2,27
до 25
3
<img file="00000010.tif" he="11" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
380
228
до 36
4; 6
до 0,45
до 0,10
до 3,80
до 25