3. Индустриальные многослойные стеновые панели

Современное строительство невозможно предста­вить без полносборного домостроения. Можно сказать, что сегодня пол­носборное домостроение переживает второе рождение. Для того чтобы соответствовать требованиям сегодняш­него дня по теплосбережению, комфортным условиям внутри помещений, по архитектурной выразительности зданий, и т.д., внедряются современные технологии и новые материалы.

Стеновые панели сегодня - это исключительно многослойные конструкции с применением эффектив­ных теплоизоляционных материалов. Для их изготовления применяются как традиционный железобетон, так и другие материалы, среди которых наибольшее рас­пространение получили металлические листовые мате­риалы (панели типа "сэндвич"). Рассмотрим подробнее данные типы индустриальных стеновых панелей.

4.3.1 Панели из железобетона

Трехслойная панель - это слоистая панель, имеющая наружный и внутренний железобетонные слои и теплоизоляционный слой, расположенный меж­ду ними.

Железобетон - композиционный строительный ма­териал, в котором соединены в единое целое бетон и стальная арматура, Совместная работа бетона и армату­ры обеспечивается хорошим сцеплением между ними и близостью коэффициентов линейного расширения

Железобетонные панели могут быть как полно­сборными конструкциями (соединение слоев происхо­дит в процессе изготовления на заводе, а монтаж панели на стройплощадке производится как готового стенового элемента) (рис. 4.25.А), так и сборными - монтаж осуще­ствляется установкой каждого слоя отдельно (рис. 4.25.Б).

Рисунок 4.25 - Трёхслойная железобетонная панель:

А - полносборная заводского изготовления, Б - сборная

Особенностями конструкций трехслойных железобетонных панелей заводского изготовления являются:

• экономичность с точки зрения скорости возведения здания, затрат на монтаж;

• меньшая зависимость строительных работ от погодных условий при соблюдении принципа непроникновения влаги в изоляционные конструкции;

• жесткая теплоизоляция, воспринимающая силы растя­жения и среза, перераспределяет нагрузки между бетонными слоями, вследствие чего значительно возрастает несущая способность панели.

Необходимо также отметить еще одну особенность современных железобетонных панелей, касающуюся технологии производства. Это современные опалубки (мобильно изменяемые), позволяющие изготавливать панели необходимых размеров и конфигураций под каждый конкретный проект. Благодаря этому архи­тектор, используя индустриальные панели, может соз­давать запоминающийся уникальный образ каждого здания.

Полносборные железобетонные панели могут быть несущими, самонесущими и навесными (ненесущими).

При выборе конструкции необходимо обратить внимание на такие детали, как внешний вид, функци­ональность, требования к прочности, послемонтажный уход, легкость монтажа и экономические показатели.

На многослойные наружные панели в процессе эксплуатации действуют статические постоянные и кратковременные нагрузки. Панели также подверга­ются перепадам температур и влиянию влажности. Во время перевозки и подъема панелей могут возникнуть и динамические напряжения.

Самыми распространенными видами нагрузок и источ­никами напряжений являются:

• давление и тяга ветра;

• собственный вес и прочие постоянные нагрузки;

• эксцентриситет постоянных нагрузок;

• горизонтальные силы, вызванные человеком, живот­ными или транспортом;

• вес оборудования, монтируемого на бетонных слоях;

• колебания средней температуры железобетонных сло­ев;

• разница внутренней температуры слоев;

• разница температуры между слоями;

• усадка и ползучесть слоев;

• осадка фундамента;

• нагрузки, возникающие во время перевозки и монта­жа.

Давление и тяга ветра сосредотачиваются на наруж­ном слое, с которого напряжение через связи переходит на внутренний слой и далее через стык на остальную часть конструкции.

Собственный вес наружного слоя через связи и зак­ладные переходит на внутренний слой.

Нагрузки, вызываемые человеком, животными, транспортом и предметами учитываются как линейные или отдельные сосредоточенные нагрузки.

Вес оборудования, закрепляемого на панели, учи­тывается как постоянная нагрузка. Особо значительным может оказаться вес рекламного оборудования.

Следствием колебаний средней температуры слоев является изменение длины стены, а следствием разницы температур - изгибы. Если вышеупомянутые подвижки панелей не могут происходить свободно, в стене образуются вынужденные силы, которые могут привести к образованию трещин прогибов и других повреждении.

Для полносборных железобетонных конструкции применяют все основные виды бетона: тяжелый и легкий на пористых заполнителях и ячеистый. Марка бетона выбирается на основании требовании по долговечности и прочности.

Железобетонная панель имеет рабочую арматуру, как правило, конструктивную, а также может иметь и расчетную арматуру, предназначенную для восприятия усилий, возникающих при изготовлении транспортировке панелей и при монтаже стены. В качестве арматуры применяют сварные сетки и пространственные каркасы.

Арматура рассчитывается исходя из нагрузок, возникающих во время ее эксплуатации. Края наружного слоя панели и края проемов оснащаются кольцевой арматурой во избежание образования трещин вызываемых неравномерной усадкой. На краях внутреннего слоя панели и краях проемов арматура используется исходя из конструктивной необходимости.

В качестве теплоизоляционного слоя трехслойных панелей в настоящее время чаще всего используют плиты из пенополистирола и из жесткой минеральной ваты. Могут применяться и другие теплоизоляционные материалы. Толщину теплоизоляционного слоя устанав­ливают в соответствии с теплотехническим расчетом.

Соединение наружного и внутреннего слоев трех­слойных панелей осуществляется с помощью связей. Основными функциями связей, скрепляющих бетонные слои многослойной панели, являются обеспечение взаимодействия между слоями, перенос нагрузок на­ружного слоя на внутренний слой, сведение к миниму­му вынужденных сил, предупреждение прогибания сло­ев.

Типы связей могут быть следующие гибкие метал­лические связи; отдельные армированные бетонные свя­зи (шпонки), армированные бетонные ребра.

Размещение гибких связей зависит от формы и веса панелей, наружных нагрузок, величины расширения движений наружного слоя, а также характеристик по прочности и деформации. В качестве гибких металли­ческих связей в трехслойных панелях используются стержни или другие соединительные элементы из ста­лей, имеющие необходимую коррозионную стойкость в условиях эксплуатации, а также арматура классов А-1, А II и Вр-1 с противокоррозионным покрытием. Также в качестве гибких связей применяется стеклопластиковая арматура на основе эпоксидных смол.

Наружный слой панели предназначен для защиты в процессе эксплуатации основных слоев от внешних климатических воздействий и выполнения декоратив­ных функций (рис. 4.26). Виды наружной отделки панелей можно разделить на следующие основные категории: во-первых, поверхности, обработка которых осуществляется по свежему бетону, во-вторых, поверх­ности, обработка которых осуществляется по затвер­девшему бетону, и, в-третьих, собственно облицовка плиткой. В соответствии с замыслом архитектора, при ре­шении фасада панельного здания могут понадобиться не только цветные, с различными фактурными отделка­ми панели, но и изделия с абсолютно белой поверхнос­тью.

Рисунок 4.26 – Железобетонна панель

с отделкой под кирпич

Для получения белого бетона используют высоко­качественные портландцемент и заполнители. Основным свойством белого портландцемента, определя­ющим его качества как декоративного материала, явля­ется степень белизны. Сырьевые компоненты должны содержать минимальное количество веществ, которые могут вызвать окрашивание цемента или уложенного бетона.

Большое значение для производства белого бетона имеют заполнители, в качестве которых часто используется белый мрамор, белый кварц, обожженный пес­чаник и синтетический белый гравий. Заполнители для белого бетона должны быть морозостойкими и не содержать пыли и осадочных включений.

При составлении смеси для изготовления белого бетона и раствора действуют обычные технологические правила. Следует, однако, отметить, что даже небольшие отклонения в технологии изготовления бетона могут привести к изменению внешнего вида бетонной конст­рукции.

Межпанельные стыки. Одной из основных причин нарушения гидро- и теплоизоляции в ограждающих конструкциях крупно­панельных зданий является неправильный выбор герметизирующих и уплотняющих материалов для стыков железобетонных панелей, а также использование некондиционных материалов, не удовлетворяющих требова­ниям действующих ГОСТов и ТУ на эти материалы.

Загерметизированные стыки элементов наружных стен должны препятствовать переувлажнению прилегающих к ним участков наружных стен и исключать возможность проникновения атмосферной влаги на внутренние поверхности ограждения. Для герметизации стыков применяются различные полимерные изолирующие материалы: герметизиру­ющие мастики, вспенивающиеся композиции, погонаж (прокладки, профили, ленты, листы).

По сравнению с другими изолирующими материалами мастичные герметики обладают наилучшими физико-техническими показателями и значительной долговечностью в самых широких диапазонах условий эксплуатации сборных конструкции. Тем самым они способны обеспечивать герметизацию наиболее эффективно. Но это отнюдь не умаляет значение других изоляторов, каждый из которых выполняет свою специфическую задачу в общей системе изоляции межпанельных стыков. Герметизирующие мастики - это сложные по составу композиции, состоящие из многих ингредиентов, которые схематично можно разделить на две части - полимерную основу (разного рода синтетические каучуки) и технологические добавки (пластификаторы, на­полнители, пигменты и др.).

Свойства герметизирующих мастик определяются главным образом полимерной основой, хотя роль тех или иных технологических добавок также бывает довольно значительной.

На сегодняшний день для герметизации стыков железобетонных панелей применяются мастики следующих типов (по типу полимерного вяжущего): полиуретановые, полисульфидные (тиоколовые), кремнийорганические (силиконовые), акрилатные и др.

По характеру перехода в рабочее состояние выпускаются отверждающиеся, неотверждающиеся и высыхающие мастики. Первые через определенное время после нанесения превращаются в упругий резиноподобный материал. Вторые в течение всего срока эксплуатации остаются в более - менее пластоэластичном состоянии. Третьи после улетучивания содержащихся в них растворителей твердеют подобно первым, но при этом подвергаются усадке, величина которой зависит от количества растворителя.

Герметики могут быть одно и многокомпонентными (чаще всего двухкомпонентными). Первые продаются готовыми к применению, а вторые приходят в рабочее состояние после смешивания основного и отверждающего компонентов в заданной пропорции.

Все мастичные герметики должны обладать ста­бильными физико-механически ми и адгезионными свойствами в интервале эксплуатационных температур от 40 до +70°С (для районов Крайнего Севера от -60 до +50°С), быть атмосферо- и водостойкими; не выделять при применении внутри помещений вредные вещества в количествах, превышающих ПДК и допустимые уровни для полимерных материалов, не снижать нормируемых пределов огнестойкости конструктивных элементов зданий; иметь гарантийный срок хранения не менее года, а для отверждающихся мастик - не менее 6 мес.; обладать необходимым сопротивлением текучести и эксплуатации; обладать необходимой удобоукладываемостью в интервале температур нанесения.

Требования ГОСТ к мастикам отдельных класси­фикационных групп таковы: отверждающиеся мастики должны обладать условной прочностью в момент разрыва не менее 0,1 МПа, иметь относительное удлинение в момент разрыва не менее 300 % на образцах - лопатках или не менее 150% на образцах швах, прочность связи мастик с поверхностью образца не должна быть менее ее прочности при разрыве при когезиционном характере разрушения (то есть по телу образца); жизнеспособность двухкомпонентных мастик не должна быть менее 2 ч.

Неотверждающиеся мастики должны быть одно­родными, иметь относительное удлинение при мини­мально допустимой температуре эксплуатации не менее 7%, пенетрация мастик, предназначенных для гермети­зации стыков сборных элементов зданий стен и покрытий, не должна быть менее 6 мм.

Указанные требования к мастичным герметикам ос­нованы на многолетнем опыте их исследования и практического применения. Эти требования важны как во всей совокупности, так и порознь, поскольку каждое их них отражает отдельные существенные стороны герметизации. Так, относительное удлинение в момент разрыва (или при максимальной нагрузке) характе­ризует способность материала воспринимать (гасить) напряжения растяжения-сжатия, изгиба и сдвига, воз­никающие в сопряжениях в ходе эксплуатации из-за соответствующих деформаций сопрягаемых элементов. Максимальные величины этого показателя в ГОСТ не регламентированы, указаны лишь минимально допус­тимые более важные с эксплуатационной точки зрения. С понижением температуры величина относительного удлинения у мастичных герметиков с определенного момента тоже понижается. Материал стано­вится жестче. Тем не менее, согласно ГОСТ герметики должны выполнять свои функции во всем диапазоне эксплуатационных температур. Поэтому для неотверждающихся мастик (по отношению к которым это особенно существенно) ГОСТ регламентирует минимально допустимую величину относительного удлинения (7%) именно при минимальной температуре эксплуатации.

Очень важным показателем является также условная прочность в момент разрыва. Для отверждающихся мастик в ГОСТ нормирован лишь ее допустимый минимум (0,1 МПа). Если у материала величина данного показателя меньше, то это означает, что в экстремальных условиях эксплуатации может произойти разрыв мастичного слоя и нарушение герметизации сопря­жения.

Однако рост величины условной прочности относительно указанного минимума полезен лишь до тех пор, пока при испытании материала (на образцах - швах) сохраняется когезионный характер его разрушения, то есть разрыв происходит по самому материалу, что и нормировано в ГОСТ. Адгезионный же разрыв при испытаниях, то есть разрыв между материалом и поверхностью его нанесения означает, что в ходе эксплуатации вероятен отрыв мастики от сопрягаемых элементов, а такое нарушение герметизации в стыках наиболее опасно потому, что создает наилучшие условия для протечек - проникания атмосферной влаги вглубь стены и далее в помещение. Указанные закономерности распространяются также на неотверждающиеся и высыхающие мастики.

Другими важными эксплуатационными показателями являются: тем­пературные пределы эксплуатации (чем они шире, тем материал предпочтительнее), водопоглощение (чем меньше, тем лучше), миграция пластификатора, однородность, пенетрация. Для производства работ существенны такие показатели как жизнеспособность (у отверждающихся двухкомпонентных мастик время между смешиванием компонентов и моментом, когда степень отверждения материала уже не позволят его наносить), сопротивление текучести, ин­тервал температур нанесения.

Если в целом обобщенно сопоставить свойства гер­метизирующих мастик, относящихся к различным клас­сификационным группам, то выяснится следующее: по сравнению с материалами других групп неотверждающиеся мастики имеют худшие физико-технические показатели, но эти материалы наименее дороги, средства их нанесения (электрогерметизаторы отечест­венного производства) вполне доступны, сами мастики всегда готовы к применению.

Более высокие показатели у высыхающих мастик. Их наносят обычно с применением самых простых средств, но из-за наличия в них довольно значительного количества растворителей, которые при высыхании улетучиваются, расход этих материалов сравнительно более высок. Кроме того, некоторые виды высыхающих мастик не рекомендуются наносить при температуре воздуха от 0°С и ниже, что является существенным недостатком в российских климатических условиях.

Самыми высокими физико-техническими показа­телями обладают отверждающиеся мастики. Они наибо­лее удовлетворяют условиям работы герметиков в конструкциях как в случае нового строительства, так и при ремонте. Однокомпонентные мастики всегда гото­вы к применению. Устройство для их нанесения (шпри­цы разнообразных конструкций, электрогерметизаторы) не дефицитны. Но у мастик этой группы есть слабое место - необходимость строгой герметичности тары. Это требуется потому, что отверждение однокомпонентных мастик происходит непрерывно под воздействием влаги воздуха, начиная с момента их изготовления. Для импортных аналогичных материалов вопрос давно решен - мастику помещают в герметичные жесткие патроны (картриджи) или в мягкие непрони­цаемые пластиковые баллончики. Поэтому она не толь легко и удобно наносится с помощью шприцев, но и обладает продолжительным сроком хранения - 12 и более месяцев.

К сожалению, нередко отечественные мастики этой группы или выпускают в негерметичной полиэтиленовой упаковке, или затаривают в закрывающиеся крышками ведра, что не позволяет хранить материалы дольше 3-4 мес.

То, что двухкомпонентную отверждающуюся мастику перед нанесением необходимо сначала приготовить, не является недостатком. Наоборот, в ходе приготов­ления в принципе возможна дополнительная регулировка ее свойств применительно к реально складываю­щимся условиям для изменения отдельных показателей мастики (вязкости, цвета, жизнеспособности, твердости и др.) путем введения дополнительных специфи­ческих добавок. Кроме того, компоненты ее могут порознь хранится более 6-12 месяцев. Тем не менее, двухкомпонентные мастики требуют точности и аккуратности в приготовлении и нанесении.

Вентилируемые железобетонные панели. Вентилируемые железо-бетонные панели представ­ляют собой полносборные трехслойные конструкции, но в отличие от традиционных имеющих воздушный промежуток между теплоизоляционным и наружным слоями.

Существует также способ возведения железобетонных вентилируемых фасадов с использованием однослойных железобетонных панелей. В этом случае основанием может служить стена из любого конструкционного материала, к которой крепится слой теплоизоляции, создается воздушный вентиляционный зазор толщиной не менее 30 мм и устанавливается наружная железобетонная плита.

Вентиляционные конструкции фасадов являются чрезвычайно перспективными и оправданными с точки зрения законов строительной физики. Поэтому подобным конструктивным вариантам уделяют большое внимание производители практически всех конструк­ционных материалов.