СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛИТ СТРОИТЕЛЬНЫХ
METHOD OF MAKING CONSTRUCTION BOARDS

Область техники
Изобретение относится к области строительства, в частности к технологическим процессам изготовления плит строительных на основе полимерных материалов, используемых:
для проектирования и формирования сборно-разборных дорожных покрытий, временных переездов и площадок, предназначенных для обеспечения проезда и/или размещения тяжелой и специальной техники в сложных геологических условиях; для изготовления конструктивных элементов настилов пешеходных автодорожных, железнодорожных мостов, настилов площадок пешеходных сходов, настилов железнодорожных платформ, пандусов для людей; для различных стеновых панелей, теплоизоляционных и шумопоглощающих конструкций.
Предшествующий уровень техники
Особую нишу по использованию современных материалов на основе полимеров занимает строительная индустрия, применение которых в строительстве определяется их эксплуатационными характеристиками и которые в отличие от традиционных строительных материалов более прочны, долговечны и менее материалоемки.
Именно низкая материалоемкость конструкций на основе полимерных материалов, их высокая долговечность, в том числе к коррозионным процессам, определяют направленность промышленного использования данных материалов при изготовлении строительных изделий различного назначения, в том числе в виде плит строительных.
Предпочтительно, для изготовления плит на основе полимерных материалов используют процесс пултрузии, основанный на производстве изделий с постоянной площадью поперечного сечения. Данная технология основана на использовании полимерных смол и армирующих агентов, в основном, в виде волокон стекла, углерода, базальта.
В качестве примера реализации данного технического направления по изготовлению плит, которые используют, например, в качестве настилов в мостостроении, можно привести:
патент US №6912821, опубл. 05.07.2005, в соответствии с которым предлагается настил, содержащий верхнюю плоскую плиту и соединенные между собой композитные панели, имеющие нижнее плоское основание и вертикально расположенные ребра с опорными площадками, на которые и опирается верхняя плита. Верхняя панель может быть по выбору соединена с композитными панелями разъемным или неразъемным соединением и образует с ними продольные каналы;
патент RU №2403336, опубл. 10.11.2010, патентообладатель ООО "Научно-технологический испытательный центр "АпАТэК-Дубна" (RU). В техническом решении предлагается настил, выполненный из соединенных между собой пултрузионных профилей, каждый из которых содержит верхнюю настильную часть, опирающуюся на выполненные вдоль пултрузионного профиля вертикальные ребра, в нижней части которых расположены полосы опорных площадок. Верхняя поверхность настильной части и нижняя поверхность опорных площадок выполнены плоскими. По продольным краям пултрузионных профилей выполнены замки, для чего на стыке у одного пултрузионного профиля в настильной части и в опорной площадке имеются продольные пазы, а у другого - соответственно выступы. Соседние пултрузионные профили соединены механическим соединением по вертикальным ребрам смежных пултрузионных профилей.
К существенным недостаткам по изготовлению строительных изделий с использованием пултрузионных профилей относятся:
технологическая сложность по обеспечению постоянства поперечного сечения изделий по длине, за исключением изделий со сравнительно простой формой;
достаточно сложное конструктивное исполнение изделий на основе набора профилей, требующих взаимного соединения, в том числе с использованием механических средств соединения, клея или иных контрящихся составов.
Значительное количество конструкционных элементов в строительных изделиях данного типа увеличивает их материалоемость и ограничивает технологические возможности их использования в плитах, предназначенных для проектирования и формирования, в том числе сборно-разборных дорожных покрытий, временных переездов и площадок, предназначенных для обеспечения проезда и/или размещения тяжелой и специальной техники в сложных геологических условиях.
Из известного уровня техники также следует, что для сооружения дорожного полотна на грунтовых поверхностях, для создания технологических проездов, временных дорог при строительно-монтажных работах наиболее целесообразны сборно-разборные дорожные покрытия на основе плит из термопластичных полимеров (см., например, патент РФ №131734, опубл. 27.08.2013 г.; 155341, опубл. 10.10.2015 г.).
Плиты для сборно-разборного дорожного покрытия по данным техническим решениям выполнены на основе термопластичного полимера по форме прямоугольного параллелепипеда, по периметру боковых граней которой расположены средства фиксации для смежных плит формируемого дорожного покрытия.
Плиты изготовлены из монолитных (гомогенных) полимеров, предпочтительно на основе полипропилена, и с габаритными параметрами, оптимизированными по условиям эксплуатационной надежности образуемого дорожного покрытия и для безопасного прохождения на участках сформированного дорожного покрытия транспортных средств, в том числе строительной техники. Однако плиты для сборно-разборных дорожных покрытий при использовании для их изготовления монолитных полимеров имеют значительную материалоемкость, что существенно повышает сложность монтажно-демонтажных работ при формировании дорожного покрытия, ограничивает технологические возможности использования данных плит на грунтах со значительной увлажненностью.
Вместе с тем, известно техническое решение для изготовления плит для дорожных покрытий на основе экструдированных из термопластичного полимера длинномерных полых модулей прямоугольного типа (см. публик. WO 2014167184, опубл. 16.10.2014). Технологический процесс по изготовлению данного типа модулей реализуется по известному методу, который, в том числе, представлен в техническом решении по патенту RU №2383810, публ. 10.03.2010 г., согласно которому с использованием соответствующего оборудования получают длинномерные полые модули прямоугольного типа с технологически заданным параметрами по поперечным сечениям, толщине стенок.
В техническом решении по изготовлению плит для дорожных покрытий (см. публик. WO 2014167184, опубл. 16.10.2014) при формировании плиты экструдированные из термопластичного полимера длинномерные полые модули прямоугольного типа рядно размещают на базовом основании с последовательным соединением смежных модулей по боковым граням, ориентированными в направлении продольно-вертикальных плоскостей, параллельных соответствующей плоскости симметрии длинномерного модуля и с формированием рабочих поверхностей плиты по граням модулей, которые ориентированы в направлении продольно-горизонтальных плоскостей, параллельных базовому основанию, рабочую ширину формируемой плиты задают при целом количестве уложенных на базовое основание полых модулей.
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Изготовленную по известному технологическому процессу плиту используют в качестве настила пешеходного моста.
Однако использование пустотелых модулей для изготовления плит в системе формирования, например, дорожных покрытий для сложных геологических условий, характеризующихся повышенной увлажненностью грунтовых поверхностей, технологически нецелесообразно, тем более, что использование накладок, закрывающих торцы плиты со стороны сквозных полых пространств модулей, как это предусмотрено, в частности в публикации WO 2014167184, не обеспечивает эффективной герметизации полых модулей. В результате в полые пространства модулей попадает влага, грязь, что усложняет с одной стороны монтажно-демонтажные работы по формированию сборно-разборных дорожных покрытий, с другой стороны ухудшаются эксплуатационные характеристики дорожных покрытий.
Кроме того, при определенных силовых нагрузках на рабочую поверхность плит возможны прогибы соответствующих стенок модулей к их сквозным полым пространствам, что снижает эксплуатационную надежность плит дорожных.
Использование известного технического решения по изготовлению пустотелых модулей для изготовления плит строительных, например, для системы формирования теплоизоляционных и шумопоглощающих конструкций недостаточно эффективно вследствие ограниченных технологических возможностей данных конструкций при определенных условиях их эксплуатации.
Раскрытие изобретения
Технический результат настоящего изобретения направлен на создание эксплуатационно надежных плит строительных на основе пустотелых модулей, предназначенных как для формирования сборно-разборных дорожных покрытий на грунтовых поверхностях со сложными геологическими условиями, так и предназначенных для использования в качестве стеновых конструкций.
Для решения поставленного технического результата предлагается способ изготовления плит строительных, заключающийся в использовании экструдированных из термопластичного полимера длинномерных полых модулей прямоугольного типа, которые рядно размещают на базовом основании с последовательным соединением смежных модулей по боковым граням, ориентированными в направлении продольно-вертикальных плоскостей параллельных соответствующей плоскости симметрии модуля, и формированием рабочих поверхностей плиты по граням смежных модулей, которые ориентированы в направлении продольно-горизонтальных плоскостей, параллельных базовому основанию, рабочую ширину формируемой плиты задают при целом количестве уложенных на базовое основание полых модулей, при этом сквозные полые пространства модулей или часть этих пространств со стороны торцов плиты перпендикулярных к продольно-вертикальным плоскостям симметрии модулей заполняют пористым вспененным полимерным материалом.
1
1
2
2
Согласно изобретению, используют пористый вспененный полимерный материал при плотности (p), соответствующей соотношению p=(0,02-0,35)p, где p - плотность термопластичного полимера для изготовления пустотелых модулей.
Согласно изобретению, заполнение сквозных полых пространств модулей или часть этих пространств со стороны торцов плиты осуществляют при подаче в указанное пространство компонентной системы полимерных материалов для получения пенополиуретана.
Согласно изобретению, заполнение сквозных полых пространств модулей или часть этих пространств со стороны торцов плиты осуществляют при экструдировании в них пенопластов.
Согласно изобретению, названные торцы плиты после заполнения с их стороны полых пространств модулей или части этих пространств пористым вспененным полимерным материалом защищают с использованием полимерных или металлических накладок.
Согласно изобретению, со стороны наружных боковых граней крайних модулей плиты и/или со стороны ее торцов размещают средства фиксации для взаимодействия со средствами фиксации смежных плит для формируемого изделия.
При реализации изобретения, благодаря описанному выше технологическому процессу, обеспечивается:
возможность проектирования и изготовления плит, предназначенных для эксплуатации при устройстве сборно-разборных дорожных покрытий на грунтовых поверхностях со сложными геологическими условиями, характеризующимися значительной увлажненностью;
возможность проектирования и изготовления плит для устройства эксплуатационно надежных сборно-разборных дорожных покрытий;
возможность проектирования и изготовления плит строительных с широким спектром технологических возможностей с использованием для этих целей технологической базы по изготовлению экструдированных из термопластичного полимера длинномерных полых модулей прямоугольного типа.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность признаков для решения заявленного технического результата, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень».
При реализации изобретения используют традиционно известное технологическое оборудование, что свидетельствует о соответствии его критерию «промышленная применимость».
Осуществление изобретения
Изобретение подтверждается нижеприведенным его описанием и поясняющими рисунками, где на:
рис. 1 показан процесс формирования плиты строительной на основе экструдированных из термопластичного полимера длинномерных полых модулей прямоугольного типа;
рис. 2 - то же, что на рис. 1 после заполнения сквозных полых модулей плиты пористым вспененным полимерным материалом.
Для реализации технологического процесса по изготовлению плит строительных используют традиционно известные материалы и оборудование для изготовления конструкционных изделий на основе полимеров:
термопластичные полимеры (термопласты), при выборе которых учитывают их стоимость, технические характеристики, соответствующие требованиям создания конструкционных изделий, их функционального назначения. Промышленно выпускаемые термопласты могут содержать различные технологические добавки и при использовании термопластов в них вводят дополнительные технологические добавки для улучшения качества конструкционных изделий, например различные армирующие агенты.
3
Для реализации способа, предпочтительно, используют литьевые термопластичные материалы группы полиолефинов (РО), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (РЕ) и полипропиленов (РР). Плотность данных материалов от 850 до 1050 (кг/м);
3
компонентную систему полимеров на основе полиизоцианатов, полиолов и катализаторов для традициционно известных технологических процессов по получению пенополиуретанов, а также технологическое оборудование для смешивания указанных компонентов и их распыления под давлением в соответствии с реализуемыми технологическими требованиями. В зависимости от используемых химических компонентов, режима смешивания плотность получаемых пенополиуретанов соответствует 18…300 кг/м;
технологическую линию по изготовлению длинномерных полых модулей прямоугольного типа методом экструзии, например, в варианте, описанном в техническом решении по патенту RU №2383810.
3
3
3
При реализации настоящего изобретения возможно также использование технологического оборудования прямой экструзии пенопластов, процесс получения которых традиционно основан на подаче в экструдер композиции, состоящей из термопластичного полимера, газообразователя и добавок (при необходимости). В экструдере проходят уплотнение, нагрев и расплавление полимера, разложение газообразователя, распределение выделившегося газа в расплаве полимера, формование материала в экструзионной головке. Плотность пенопластов в зависимости от технологических режимов, используемых компонентов, соответствует 10-30 кг/м и более, так, например, плотность пенополистирола соответствует 15-45 кг/м, пенополипропилена - 40 кг/м.
3
С использованием соответствующего монолитного термопласта на технологической линии, содержащей шнековый экструдер с формующим устройством, на выходе которого размещают калибрующую головку, получают экструдированные из термопластичного полимера полые модули прямоугольного типа с технологически заданными параметрами по поперечному сечению, толщине стенок и с заданным профилем двух оппозитно расположенных боковых граней. Для получения экструдированных полых модулей прямоугольного типа для реализации изобретения были использовали монолитные термопласты на основе полиэтилена трубных марок, в частности полиэтилен ПЭ-100 - это полиэтилен высокой плотности, или «низкого давления» (ПНД), получаемый путем полимеризации этилена при высокой температуре, в присутствии набора катализаторов и при пониженном давлении. Плотность - 954 кг/м.
В процессе изготовления полых модулей задают длину получаемых полуфабрикатов для изготовления плиты с учетом технологических требований по их функциональному назначению. Для этих целей используют автоматическое отрезное устройство.
Для реализации настоящего изобретения методом экструзии были получены пустотелые полимерные модули с поперечным сечением от 70 до 100 (мм), толщина стенок 5-20 (мм), использованы модули при длине их до 2(м).
Длина модулей зависит от функционального назначения плиты, так при проектировании плиты для дорожных покрытий длина модулей может быть задана до 6 (м).
Экструдированные из термопластичного полимера полые модули 1 прямоугольного типа с технологически заданными параметрами, в том числе по их длине, рядно размещают на базовом основании 2 путем ориентации граней 3 модулей в направлении продольно-вертикальных плоскостей, параллельных соответствующей плоскости симметрии I-I модуля 1. Рабочие поверхности плиты формируют по граням смежных модулей, которые ориентированы в направлении продольно-горизонтальных плоскостей II-II, параллельных базовому основанию 2. Рабочую ширину формируемой плиты задают при целом количестве уложенных на базовое основание полых модулей. Модули технологически выдерживают на базовом основании для усадки термопласта и затем последовательно смежные модули соединяют между собой по боковым граням 3 с использованием для этих целей, предпочтительно, термопластичных полимеров.
Соединение смежных модулей между собой по боковым граням 3 наиболее целесообразно при профилировании граней 3, при котором со стороны рабочих поверхностей формируемой плиты образуют оппозитно ориентированные вдоль смежных модулей клиновые зазоры 4, которые заполняют расплавом полимерного материала.
Сквозные полые пространства модулей или часть этих пространств со стороны торцов плиты перпендикулярных к продольно-вертикальным плоскостям симметрии I-I модулей заполняют пористым вспененным полимерным материалом 5.
Заполнение сквозных полых пространств модулей или части этих пространств со стороны торцов плиты осуществляют, например, на основе получения пенополиуретана (ГШУ) из двух компонентов. При смешивании полиола и полиизоционата происходит образование пенополиуретана. При напылении смесь вспенивается, увеличивается в объеме и затвердевает. Профессиональное оборудование дает возможность смешивать компоненты в точной пропорции при требуемой температуре и напылять полученный жидкий полимер с помощью пистолета-распылителя для ППУ под определенным давлением.
Технические характеристики данного продукта по плотности, как общеизвестно, зависят от химических свойств используемых компонентов, их смесевого соотношения и др. факторов.
Эффективность заполнения сквозных полых пространств модулей в целом зависит также от целого ряда факторов, в том числе от используемого для этих целей технологического оборудования осуществляющего заполнение указанных полых объемов модулей, от физико-химических характеристик используемых полимерных материалов для заполнения полых объемов, в том числе адгезивная способность пенополимеров, их механическая прочность и способность к расширению, в результате этих обстоятельств пенополимеры, увеличивая свой объем, заполняют все щели, образуя плотное монолитное покрытие, обладающее высокими прочностными качествами.
3
3
1
2
1
2
При реализации настоящего изобретения были использованы смесевые составы компонентов для получения пенополиуретанов плотностью 27 кг/м и 300 кг/м, при этом плотность (p) данных вспененных полимеров и плотность (р) термопластичного полимера для изготовления пустотелых модулей имеют соотношение: p=(0,03-0,31)р.
Использование пористых вспененных полимеров приводит к увеличению материалоемкости формируемых плит из пустотелых модулей. Однако использование для заполнения полых объемов модулей пористых вспененных полимеров, влагоемкость которых, как известно, не более 5%, значительно улучшает эксплуатационные характеристики плит строительных, предназначенных для формирования дорожных покрытий для условий переувлажненных грунтовых поверхностях. Степень увеличения материалоемкости плит при использовании пористых вспененных полимеров плит зависит от технологических требований, предъявляемых к проектируемым плитам строительным, в том числе с учетом таких факторов, как повышение эксплуатационной надежности плиты к действующим силовым нагрузкам за счет увеличения жесткости плит, сохранение плавучести плит и их эксплуатационной надежности при устройстве сборно-разборных дорожных покрытий на грунтовых поверхностях со сложными геологическими условиями, характеризующимися значительной увлажненностью.
Заданное по изобретению соотношение плотностей между пористым вспененным полимером и монолитным термопластом для изготовления полых модулей оптимально. Уменьшение данного соотношения нецелесообразно по условиям использования пористых вспененных материалов, т.к. снижение их плотности приведет к ухудшению эксплуатационных характеристик плит строительных как для дорожных покрытий, предназначенных для работы в режиме повышенной переувлажненности грунтов и в режиме повышенных силовых нагрузок, так и для плит строительных, предназначенных для создания конструкционных изделий иного технологического назначения, например, стеновых панелей.
Увеличение указанного соотношения приведет к повышению материалоемкости плит, что неблагоприятно для соответствующих режимов эксплуатации плит, а также к усложнению монтажно-демонтажных работ для формирования конструкционных изделий различного функционального назначения.
После заполнения сквозных полых пространств модулей или части этих пространств со стороны торцов плиты перпендикулярных к продольно-вертикальным плоскостям симметрии модулей пористым вспененным полимерным материалом 5, торцы плиты защищают с использованием полимерных или металлических накладок 6, наличие которых уменьшает механические повреждения вспененного полимерного материала.
При реализации изобретения по созданию плит строительных, предназначенных для формирования дорожных покрытий со стороны наружных боковых граней крайних модулей плиты и/или со стороны ее торцов, защищенных накладками, размещают средства фиксации (не показаны) для взаимодействия со средствами фиксации смежных плит, формирующих соответствующее конструкционное изделие, например сборно-разборное дорожное покрытие. Конструктивное исполнение средств фиксации может быть различно и разработано с учетом надежности их фиксации на стенках полых модулей и их торцов.
В результате описанного технологического процесса при использовании экструдированных из термопластичного полимера длинномерных полых модулей прямоугольного типа с заполнением их сквозных полых пространств или части этих пространств со стороны торцов плиты, перпендикулярных к продольно-вертикальным плоскостям симметрии модулей пористым вспененным полимерным материалом, изготавливают оптимальные по расходу полимерных материалов плиты, которые в зависимости от предъявляемых к ним технологических требований могут быть использованы:
для проектирования и создания сборно-разборных дорожных покрытий для сложных геологических условий. Используемые для этих целей плиты должны соответствовать определенным требованиям по материалоемкости, плавучести и высокой эксплуатационной надежности с учетом действующих на формируемое покрытие силовых нагрузок со стороны транспортных средств различного назначения;
для проектирования и создания эксплуатационно надежных конструкционных изделий, в том числе на основе стеновых панелей.