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.

Строительный элемент состоит из ячеистого каркаса с пространственными ячейками и наполнителя. 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. Н.п.ф.и. - 1, з.п.ф.и. - 6, илл. - 2

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.

1. Строительный элемент, состоящий из ячеистого каркаса с пространственными ячейками и наполнителя, отличающийся тем, 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 до 21000 МПа.

2. Строительный элемент по п.1, отличающийся тем, что каркас выполнен полым.

3. Строительный элемент по п.1, отличающийся тем, стенки каркаса имеют перфорацию.

4. Строительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве неорганического вяжущего материала использован цемент.

5. Строительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного материала 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.

6. Строительный элемент по п.1, отличающийся тем, что полимерная добавка выполнена на основе латекса.

7. Строительный элемент по п.1, отличающийся тем, что количество полимерной добавки равно 5-50% от массы неорганического вяжущего материала.