Доклад на тему: "Инновационные строительные материалы"

Инновации — это внедряемые на рынок и производства новшества, новые технологии и материалы, важным качеством которых является прямая направленность на значительное повышение качества и эффективности уже имеющихся материалов и технологий. Любые инновации должны быть актуальными, то есть представлять собой пользу на момент их внедрения для общества, социально-экономической, производственной, политической, культурной и др. среды или сферы деятельности. Инновации базируются на достижениях научно-технического прогресса, новых научных теориях и открытиях. В строительстве инновации — это новые материалы и технологии, выпускаемые на строительный рынок с целью улучшения показателей эффективности строительного производства. Поскольку строительство прямо базируется на научно-технических достижениях разных научных сфер (химии, физики, сопротивления материалов, строительной механики, экономики, безопасности жизнедеятельности и др.), то строительные инновации могут иметь самую разную направленность.Цель работы — изучить современные инновации в строительстве.Задачи работы:Рассмотреть преимущества и недостатки основных инновационных материалов в строительстве;Изучить опыт и примеры некоторых стран в области строительных инноваций;Проанализировать особенности некоторых других инновационных технологий в строительстве.Объект исследования — инновации в строительстве.Предмет исследования — применение инноваций в современном строительстве.1 ИННОВАЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ1 Поризованные керамические блокиЭти строительные материалы представляют собой крупноформатные блоки, выполненные из экологичного материала, с учетом требований к теплопроводности (пониженная), высокой паропроницаемости и звукоизоляции. Таким образом, такие поризованные блоки позволяют обеспечить определенный уровень «естественной вентиляции», но сберегая тепло и защищая внутреннее пространство дома от внешних звуков.Поризованнный кирпич представляет собой большой кирпич теракотового цвета (в 7–14 раз больше привычного кирпича) со множеством пор внутри и выраженными гранями-ребрами на боковых поверхностях. Основные особенности:Крупный форматЗа счет этого время строительства сокращается почти в 3 раза, поскольку один такой кирпич заменяет от 7 до 14 «обычных» кирпичей.Небольшой весЗа счет этого снижается нагрузка на фундамент, и тем самым оптимизируются затраты на строительство.Особое строениеСтруктура кирпича позволяет удерживать в пустотах максимально возможное количество воздуха, за счет чего обеспечивается хорошая паропроницаемость (лишняя влага отводится от стен). Также обеспечивается оптимальный уровень звукопоглощения (более 35 Дб), и высокие теплоизоляционные свойства, что не требует дополнительных мер и затрат в дополнительном утеплении стен. За счет пористости обеспечивается естественное регулирование уровня влажности в помещении, что препятствует образованию плесени и грибков, и создается комфортный микроклимат.Высокая энергоэффективность стен обеспечивается пазовым строением боковой части блока. Это позволяет значительно снизить потери тепла в местах соединениях блоков (устраняются «мостики холода»), ускоряется процесс монтажа.Формат «теплой керамики» экономит около 30% раствора при кладке, т. к. он не нужен в вертикальном шве.Особый составТакие поризованные блоки содержат минимальное количество влаги. Соответственно, низкая влажность повышает теплоизоляционные свойства. Например, в помещении становится тепло уже сразу после строительства, тогда как для традиционных материалов требуется несколько лет для оптимизации микроклимата.Основные недостатки поризованных блоков:ХрупкостьТребует повышенных мер по транспортировке и складированию этого материала.Требуется большая аккуратность при монтажеВвиду хрупкости и чувствительности, чтобы не потерять его характеристики, кладку поризованных блоков следует планировать заранее, а также чтобы предотвращать нарезку блоков.Низкая морозостойкость (F50)Несмотря на то, что материал пористый, это приводит и к недостатку, состоящему в том, что его морозостойкость составляет всего около 50 циклов, что может быть непригодным для холодных регионов. Поэтому, материал на практике обычно все же требует дополнительной внешней облицовки (плиткой, керамическим кирпичом, декоративным камнем, штукатуркой и др.).Краткая технологическая схема применения материала приведена на рисунке 1.Рисунок 1 — Технологическая схема кладки блоков2 Газозолобетон (ячеистый бетон)Представляет собой разновидность ячеистого бетона, выполненного на основе цемента и золы, которые в структуре материала заменяют свойства и функции песка. Внешне газолобетон является ячеистым блоком серого цвета, придаваемого материалу золой (рис. 2).Рисунок 2 — ГазолобетонОбычный состав газолобетона:Вяжущее вещество (портландцемент);Известь-пушонка (гидроксид кальция);Зола-унос (например, отходы с ГРЭС);Алюминиевая суспензия (провоцирует газообразование);Вода.Как правило, такой материал используется преимущество для малоэтажного жилого строительства (до 3 этажей).Его основные преимущества:Низкая теплопроводность;Небольшая масса;Гладкая поверхность.Основной недостаток — высокая впитывающая способность. Такие блоки впитывают много влаги из атмосферы. Поэтому, при их монтаже облицовка является фактически обязательным мероприятием, что снижает впитывание влаги материалом. Другой недостаток — чувствительность к растрескиванию. Даже небольшая трещина может спровоцировать дальнейшее растрескивание всей кладки.3 Стеновые ЖБИ-панели с внутренним утеплителемПредставляют собой конструктивные железобетонные панели, в структуре которых присутствует слой утеплителя. По сути, их инновационность заключается в том, что внутрь традиционных железобетонных плит вмещен слой утеплителя, что улучшает характеристики традиционной плиты.Как правило, это реализуется через решение многослойных ЖБ-плит (обычно трехслойных — два внешнего слоя железобетона, между которыми расположен слой утеплителя (рис. 3). Рисунок 3 — Условная схема трехслойной плиты с утеплителемВиды трехслойных панелей:НесущиеВоспринимают не только нагрузку от своего веса, но и от других конструкций, которые могут на нее опираться. Поэтажно несущиеРазновидность несущей стены, принимает нагрузку межэтажного перекрытия, передавая ее на каркас здания. НенесущиеНа такую панель не опираются другие конструкции.СамонесущиеЭтот вариант кроме своего веса воспринимает нагрузку вышерасполагаемых панелей. Преимуществом такой плиты, кроме повышенного энергосбережения, является повышенная вентилируемость. В конструкции плиты может быть предусмотрена воздушная прослойка. Также учитывается, что такие плиты должны предотвращать выпадение конденсата на внутренней поверхности панели.В целом, толщина утеплителя в таких плитах превышает 100 мм. В сухом климате может использоваться крупнопористый теплоизолятор, во влажном климате — плотный утеплитель.4 Монолитный брусТакже обозначается как клееный брус (клееный профилированный брус) — монолитная конструкция, состоящая из склеенных досок (ламелей). Для его изготовления могут использоваться разные виды древесных пород: сосна, ель, лиственница и др.Основные преимущества клееного монолитного бруса:Возможность «программировать» качества материала (невозможно при «обычном» монолитном брусе);Упрощение сортировки;Множество направлений пригодности;Обладает всеми свойствами натуральной древесины;Обеспечивает идеально гладкую поверхность;Устойчив к механическим повреждениям;Устойчив к биологическим факторам;В клее отсутствуют выделяемые токсичные вещества.5 Минераловатный утеплитель на основе базальтового волокнаБазальтовый утеплитель (каменная вата) — вид строительной ваты, изготавливаемой из расплава горных пород базальтовой группы, которые за счет синтетического связующего вещества формируют теплоизоляционные плиты. Преимущества материала:Негорючесть (температура плавления более 1000 °С), что также позволяет использовать материал для огневой защиты;Экологичность;Высокая паропроницаемость (его конструкция способствует выведению влаги);Биостойкость (в ней не распространяются микроорганизмы и разные вредители);Стабильность геометрических размеров (имеет способность восстанавливать первоначальные размеры);Высокая теплоизоляционная способность (за счет наличия пустот между волокнами);Высокие звукоизоляционные свойства (за счет хаотичного расположения волокон и расстояния между ними);Пригоден практически для всех конструкций.6 Арболит (деревобетон)Вид легкого бетона, наполнителем в котором является древесная щепа.Особенности:НаполнительДревесная щепа, строго ограниченная в размерах (не более 25 мм в длину и 10 мм в ширину, определенной степени шероховатости, порода — ель, сосна, бук, имеет значение характер древесины, ранняя или поздняя). Также может использоваться рисовая солома, костра льна, стебли хлопчатника, хвоя и кора.ВяжущееЦемент требуемой для арболита марки, то есть не ниже М300, но зависит от требований к прочности.Химические добавкиОт них зависит качество соединения составляющих компонентов, скорость твердения и многое другое. Используются прежде всего хлористые соли калия, кальция, алюминия и «жидкое стекло». Состав и соотношение исходных компонентов: 1 доля вяжущего, 1 доля щепы, 1,5 доли воды (соляного раствора). Преимущества:Высокая теплоизоляция (лучше бетона и кирпича);Удерживает тепло на стабильном уровне;Трудновоспламеняем;Высокая паропроницаемость;Устойчив к нагрузке на растяжение (к трещинам);Легко поддается резки;Хорошо крепится;Малый вес.Недостатки:Пригоден только для малоэтажного строительства (низкая прочность);Низкая прочность (B3,5);Низкая морозостойкость (F25–F50);Высокое водопоглощение (не пригоден при постоянной влажности свыше 75%);Неизвестна его долговечность;Высокая стоимость (т. к. создаются практически вручную).Изображение материала приведено на рис. 4.Рисунок 4 — Материал из арболита7 Каркасно-панельные конструкцииВ настоящее время инновации в этом направлении, как правило, представляют собой разновидности существующих конструкций в разном направлении, преимущественно в сторону повышения энергоэффективности. Основные требования, ориентируясь на которые создаются инновации подобного рода:Энергосбережение;Надежность;Эргономичность;Долговечность;Современная эстетика.Некоторые виды современных каркасно-панельных конструкций:Немонотонная система с пропусками стенок (НСПС)Может использоваться в верхних этажах многоэтажных зданий. Ее достоинства — снижение стоимости и трудоемкости монтажа. К ним выдвигаются повышенные требования в сейсмических районах.Использование ЛСТК-конструкцийЛегкие стальные тонкостенные конструкции — тип конструкции, выполняемый из легкой стали, и используемый при возведении быстровозводимого здания. К таким конструкциям относятся профилированные листы и тонкостенные профили из оцинкованной стали. Технологическая схема ЛСТК-панели приведена на рисунке 4.Рисунок 5 — Конструкция термопанелиГде: 1 — внешняя отделка, 2 — гипсоволокно (2 слоя), 3 — утеплитель, 4 — парозащитная плёнка, 5 — направляющие профили (термопрофили), 6 — стоечные профили (термопрофили), 7 — перемычка из профиля (термопрофиля).Основные преимущества ЛСТК:Высокая скорость монтажа;Низкие затраты на строительство;Экологическая безопасность;Низкий вес;Наличие термоперфорации (надежная защита о промерзания стен, снижение теплопроводности стали на 90%);Высокая энергоэффективность;Возможность строительства многоэтажных зданий с разными типами каркаса;Мультифункциональная пригодность (можно строить объекты самого разного назначения);Возможность строительства на разных видах грунта;Долговечность (за счет оцинковки, до 100 лет);Всесезонность строительства;Возможность любой отделки и дизайнерских решений;Отсутствие усадки;Сейсмоустойчивость;Пожаробезопасность;Простая и быстрая сборка каркаса.Основные недостатки:Тонкие стены (означает ограничения в прочности конструкции);Высокая стоимость качественных профилей.8 Несъемная опалубкаЭто вид опалубки, которая не требует демонтажа после отвердевания бетона. Сама опалубка, таким образом, становится конструктивной частью бетонной конструкции. Основные преимущества инновации:Не требует демонтажа опалубки (сокращает время строительства, предотвращает появление «следов» и пятен от опалубки на бетоне);Вариативность технологии (опалубка бывает разных видов, в зависимости от требований);Не содержит токсичных материалов;Устойчивость к химическим и биологическим факторам;Малый вес;Дополнительная теплоизоляция;Дополнительная звукоизоляция;Предотвращение промерзания несущего слоя бетона, отсутствие мостиков холода;Хорошо пригодна для облицовки;Предотвращает появление плесени;Увеличивается срок службы здания.Чаще всего такая опалубка выполняется из пенополистерола (рис. 6).Рисунок 6 — Несъемная опалубка из пенополистерола9 ТорфоблокТорфоблок (геокар) — строительный блочный материал, выполняемый из торфа, экологически чистого сырья, с добавлением в него древесных опилок, соломы и других природных наполнителей. Его преимущества:Надежная теплоизоляция (при толщине стены из торфоблока в 50 см его теплоизоляция эквивалентна кирпичной стене толщиной свыше 2 м);Долговечность (оценивается в более 75 лет без потерь в качестве);Шумоизоляция;Экологичность (полностью природные материалы);Поглощает электромагнитное и радиоактивное излучение;Пожарная безопасность (за счет минеральных добавок);Бактерицидность;Низкая цена (торф — дешевое самовозобновляющееся топливо);Возможность строительства до 10 этажей;Экономия ресурсов на отопление;Допускает разнообразные архитектурные решения;Обеспечение комфортного микроклимата;На 80% снижает расход кирпича;Высокое энергосбережение.Блок из торфа (геокар) представлен на рисунке 7.Рисунок 7 — Торфоблок10 МикроцементРазновидность цемента, в который входят разнообразные компоненты тонкого помола, придающие нужные качества.Основные преимущества:Высокая адгезия;Устойчив к воздействию воды;Пригоден для нанесения на любой материал;Пригоден для помещений разного назначения, в том числе для нанесения на фасады;Паропроницаемость;Устойчивость к механическим воздействиям;Тонкий слой (менее 3 мм);Долговечный;Высокая прочность (как у камня);Лакированная поверхность;Высокие эстетические качества.Его недостатки:Сложность проведения работ;Обязательная лакировка (иначе разрушается);Высокие требования к качеству сырья (к производителю).11 Стекломагнезитовый листЭто листовой отделочный материал, выполненный на основе магнезиального вяжущего. Его состав:Каустический магнезит;Хлорид магния;Вспученный перлит;Стеклоткань.Особенности и преимущества:Разные цветовые решения;Возможно применение во влажных помещениях;Хорошая адгезия;Высокая прочность;Доступен для разного вида декора;Простой монтаж (аналогичен монтажу гипосокартона).Примерный состав материала:Оксид магния (35–45%);Древесная стружка (15%);Хлорид магния (30–40%);Стеклосетка (1%);Перлит (5%).Толщина листа составляет от 4 до 12 мм, зависит от назначения (до 6 мм для потолков, 6 мм для стен, 10 мм для полов, до 12 мм в отделке фасада).Преимущества:Высокая плотность (до 1250 кг/м3);Не расслаивается, не разбухает и не деформируется;Устойчивость к влаге;Биостойкость;Не подвергается действию кислот и щелочам;Удобны при работе (легко режутся, не образуют трещин);Морозостойкие;Шумоизоляця;Экологичный;Пожаростойкость (горит при температуре свыше °1200 С);Пригодны для жилых и производственных помещений.Недостатки:При намокании возможно выделение соли, что может провоцировать коррозию;Не пригоден для помещений с постоянной высокой влажностью и резкими перепадами температур.2 ОПЫТ РАЗНЫХ СТРАН МИРА2.1 Япония: Дома, парящие в воздухеДля строительных условий Японии, в которых требуются повышенные требования к сейсмоусточивости, необходимы соответствующие инновации. Например, создана технология домов, которая позволяет подниматься дому над землей в случае землетрясения до момента его прекращения. Технология работает за счет мощной воздушной подушки. Чувствительный датчик способен заранее фиксировать начало сейсмической активности. Поступающий в дом сигнал включает систему наполнения специальной подушки воздухом, которая приподнимает дом на несколько сантиметров над землей, тем самым значительно снижая воздействие и последствия землетрясения. После завершения землетрясения дом снова возвращается в исходное состояние, на специальную раму, расположенную по периметру фундамента. Таким образом, здесь отсутствует жесткая сцепка дома с фундаментом.2.2 США: Эластичный самовосстанавливающийся бетонТехнология основана на использовании бактерий, которые могут устранять микротрещины в бетоне. Эти бактерии внедряются в традиционный бетон, и в ходе своей жизнедеятельности они производят известняк, заделывающий трещины в бетоне. Ожидается, что это значительно продлит срок службы бетонных конструкций.Особые виды бактерий рода Bacillus, вместе с кальциевым питательным веществом (лактат кальция), азотом и фосфором, добавляются к ингредиентам бетона при его подготовке (смешивании). Такие бактерии могут находится в спячке в бетоне до 200 лет, и пробуждаться по мере появления свободного пространства, то есть трещин. Когда через трещины просачивается вода, бактерии начинают питаться находящимися рядом с бактериями в бетоне питательными веществами, активизируя свою жизнедеятельность. Бактерии питаются лактатом кальция и усваивают поступающий из трещины кислород, тем самым вырабатывая из лактата кальция нерастворимый известняк (рис. 8). Рисунок 8 — Трещина в самовосстанавливающемся бетоне (слева) и уже заделанная бактериями трещина (справа)2.3 Канада: 18-этажное деревянное общежитиеВ Канаде построено 18-этажное здание из деревянного клееного бруса, CLT-панелей, ламинированного ДВП и бетона. Здание Brock Commons является студенческим общежитием Университета Ванкувера, имеет высоту 53 метра.Особенности проекта:Некоммерческое назначение деревянного здания означает его относительно низкую стоимость;Проект с гибридной конструкцией;Деревянный каркас формируют колонны из клееной балки с предустановленными узлами быстрого соединения;Межэтажные перекрытия — панели из 5-слойной перекрестно-клееной древесины CLT, что обеспечивает перераспределение нагрузки множества этажей с участием бетонных колонн;Сейсмоустойчивый дизайн;Облицовка выполнена из древесноволокнистых плит;Пожаробезопасность (огонь не выйдет за пределы локализованных секций);Экономия до 25% энергии.2.4 Нидерланды: Строительные блоки из морской солиПредложена технология строительных блоков, состоящих из морской соли, смешанной с крахмалом, производимого водорослями. Также для прочности и влагозащиты материал покрывается эпоксидной смолой. 2.5 Китай: Горизонтальный небоскреб ConservatoryПредставляет собой, по сути, горизонтальное расширение нескольких рядом стоящих зданий-небоскребов (рис 9).Рисунок 9 — «Горизонтальный» небоскреб Conservatory (Китай)Длина конструкции составляет 400 м, он расположен на высоте 250 м над уровнем земли. По назначению является преимущественно обзорной площадкой, в которой есть зеленые насаждения.3 ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ3.1 Каркасное строительствоПодразумевает быстровозводимую конструкцию, в которой все несущие элементы взаимосвязаны между собой, используется в малоэтажном строительстве. Основное преимущество заключается в высокой энергоэффективности. Подробнее технология рассмотрена в главе 1.3.2 Каркасное строительствоОпалубка несъемная — вид опалубки, которая не требует демонтажа. За счет этого обеспечиваются основные преимущества (экономия времени, ресурсов, снижение дефектов и др.), о чем подробнее было рассказано в 1 главе.3.3 Переставная модульная опалубка (ТИСЭ)ТИСЭ — технология индивидуального строительства и экология. Подразумевает использование переставной опалубки «собственными силами».В ней стеновой блок формируется в стене без подстилающего раствора. Вручную уплотняется смесь песка и цемента, распалубка производится сразу после уплотнения. Один блок монтируется около 5 минут. Основные виды и назначение:Используется для строительства ограждений (ТИСЭ 1);Универсальная, для стен толщиной 25 см (ТИСЭ 2);Особая, для стен толщиной 38 см (ТИСЭ 3).Обычно опалубка ТИСЭ сопровождается необходимыми конструктивными элементами и приспособлениями для строительства (рис. 10).Рисунок 10 — Детали модуля ТИСЭ1 — форма; 2 — пустотообразователь; 3 — поперечный штырь; 4 — продольный штырь; 5 — перегородка-скребок; 6 — выжимная панель-трамбовка; 7 — опалубка-компенсатор; 8 — скоба; 9 — уголок формовочный; 10 — стопор проволочный.3.4 Сборка зданий из 3D-панелей.Каждая 3D-панель представляет собой легкую прочную плиту из пенополистерола. С обеих сторон к ней крепится стальная сетка из проволоки диаметром 3 мм. Все это образует отдельную плиту в элемент пространственной (3D) конструкции, каждый из которых может крепиться к нужным элементам. Преимущества:Отсутствие трещин в стенах;Предотвращение неравномерной осадки фундамента;Нет деформации оконных проемов;Не требует кранов при монтаже;Возможность быстрой замены конструкций;Простота монтажа инженерных коммуникаций;Экономичность (от 8 тыс. руб. за квадратный метр);Низкие транспортные расходы (за счет легкого веса плит);Легкость расчета конструкций;Высокое энергосбережение (за счет пенополистерола);Экологичность пенополистерола;Долговечность и устойчивость.Схематично конструкция 3D-панелей приведена на рисунке 11.Рисунок 11 — Устройство 3D-панелиСама панель после монтажа подвергается торкетированию — нанесению облицовочной поверхности через распыление раствора по поверхности (рис. 12).Рисунок 12 — Метод торкретированияЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной работе были рассмотрены некоторые основные современные инновации в строительстве, изучены их достоинства и недостатки, кратко указана перспектива технологий. В работе достигнута цель и выполнены поставленные задачи, основные выводы следующие:Большинство инноваций направлено на повышение энергосбережения — это является частью мировой строительной политики по снижению выбросов углекислого газа от строительного сектора (т. к. производства бетонов являются основным источником загрязнения воздуха);Инновации направлены всегда на экономичность (это связано с удешевлением строительства при его мировом росте цен, связанным с неравномерным спросом на строительство по регионам мира, например, резким спросом в развивающихся странах, прежде всего Индии и Китая);Активно используются альтернативные подходы (прежде всего это природные материалы, которым стараются найти неожиданное применение);Основные недостатки в перспективе этих инноваций — отсутствует достаточный опыт их эксплуатации, поэтому, затруднен прогноз их долговечности и применения, что можно будет понять только через некоторое время использования этих технологий.Таким образом, использовать результаты данного исследования целесообразно именно в изучении различных практических аспектов применения новых инноваций. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВБазальтовый утеплитель (каменная вата). URL: https://www.tn.ru/library/poleznaja_informacija/bazaltovyj_uteplitel/ (дата обращения: 18.12.2020).Железобетонные стеновые панели (ЖБИ панели). URL: https://www.penoplex.ru/partners/zhbi-paneli/ (дата обращения: 18.12.2020).Калугина Ю.Е., Бабанов В.В. Современная технология строительства домов с применением 3D-панелей // Ю.Е. Калугина, В.В. Бабанов. – Современные инновации, 2019. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennaya-tehnologiya-stroitelstva-domov-s-primeneniem-3d-paneley (дата обращения: 17.12.2020).Карабанов Б.В. Новые конструктивные решения несущей системы каркасно-панельных зданий и нелинейные методы их расчета : диссертация, 1998. URL: https://www.dissercat.com/content/novye-konstruktivnye-resheniya-nesushchei-sistemy-karkasno-panelnykh-zdanii-i-nelineinye-met (дата обращения: 17.12.2020).Микроцемент: особенности, достоинства и недостатки, сфера использования. URL: http://proftula.ru/articles/185/36467/ (дата обращения: 18.12.2020).Преимущества несъемной опалубки/ URL: http://www.monoplus.ru/stati/nesemnaya-opalubka-chto-eto/ (дата обращения: 17.12.2020).Что такое арболит: состав, применение и качественные характеристики материала . URL: http://stroyres.net/beton/arbolit/chto-eto-takoe.html (дата обращения: 17.12.2020).Brock Commons. URL: http://norvex.pro/company/blog/brock-commons-18-etazhnoe-obshchezhitie-university-of-british-columbia-in-vancouver-postroennoe-iz-i/ (дата обращения: 18.12.2020).