Нацпроект | Исследование прочности металлокерамики и алюминиевых сот

В статье представлена разработанная методика по испытанию с подбором оборудования и расходных материалов архитектурно-строительных отделочных элементов из металлокерамических изделий и алюминиевых панелей из сот, применяемых в настоящее время для внутренней и внешней отделки на объектах городского железнодорожного транспорта, на объектах высокоскоростных железнодорожных магистралей и иных объектах транспортной инфраструктуры. Представлены некоторые результаты испытания на прочность при изгибе и растяжении и их внедрение

Введение

Поставленные задачи «Концепции развития Центрального транспортного узла на период до 2040 г.» и «Концепции развития скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения Россий ской Федерации» направлены на масштабную реализацию строительства зданий и сооружений – объектов транспортной инфраструктуры с развитием идеологии «рационального потребления» ресурсов, в том числе с применением энергоэффективных, прочных, надежных и долговечных архитектурно-строительных и конструктивных материалов, элементов и изделий [10–12].

Целью научно-исследовательской работы является разработка технической системы (методики) испытаний опытных образцов архитектурно-строительных элементов металлокерамических панелей со стеклоэмалевым покрытием («Квантум Керамик®») и алюминиевых панелей с внутренним заполнением из алюминиевых сот («Квантум Парус®» производства ПОСП «Национальные инвестиции»), обладающих характерными для нововведений принципиальными осо бенностями, их испытаний в течение времени, необходимых для получения данных накопления опыта и отражения в технической документации – экспертного заключения о возможности использования на объектах городского железнодорожного транспорта, высокоскоростных железнодорожных магистралей и иных объектах транспортной инфраструктуры. В статье представлены лишь результаты испытания на прочность при изгибе и растяжении данных изделий.

Актуальность темы заключается в разра ботке архитектурно-строительных элементов, которые позволили бы:

при грамотном подборе и монтаже утепли- тельного слоя в здании значительно улучшить теплоизоляционные характеристики;
снизить толщину основных несущих стен, а при проектировании системы вентилируемого фасада каркас устанавливать таким образом, чтобы между стенами здания и облицовочным слоем оставалось пустое пространство. Благо- даря этому воздушному зазору обеспечивается вентиляция воздуха и испарение скапливаю- щей ся влаги на поверхностях фасадов;
за счет композитного материала, воздушной прослой ки и звукоизоляции вентилируемого фа- сада повысить изначальные звукоизолирующие показатели в полтора-два раза, а монтаж фасад- ной системы выполнить так, чтобы защищать здание от неблагоприятных влияний окружаю- щей среды (дождя, солнца, ветров, механических воздей ствий );
благодаря износостой кости материалов вен- тилируемых фасадов не терять своих свой ств в те- чение долгого времени. Высокие эстетические ка- чества материала. Разнообразие облицовочных материалов, их текстур и цветовых гамм позво- ляет совершенствовать архитектурный облик зданий и сооружений .

Научная новизна: выявлены новые физико- механические, теплофизические и конструк- тивно-технологические характеристики и оценка пожарной безопасности архитектурно-строи- тельных элементов (металлокерамические па- нели) со стеклоэмалевым покрытием «Квантум керамик®» и алюминиевых панелей с внутрен- ним заполнением из алюминиевых сот «Кван- тум Парус®» для возможности использования в качестве облицовочных материалов.

Практическая значимость: данные характе- ристики позволят оценить возможность приме- неия архитектурно-строительных элементов на объектах городского железнодорожного транс- порта, высокоскоростных железнодорожных ма- гистралей и иных объектах транспортной инфра- структуры. В рамках цели научно-исследовательской работы ставятся и решаются следующие за- дачи:

анализ нормативно-правовой базы по испы- танию керамических, металлических, композит- ных, металлокерамических и других изделий;
рассмотрение нормативно-правовой базы по испытанию алюминиевых и композитных и других изделий;
разработка методики испытаний опытных образцов архитектурно-строительных элемен- тов металлокерамических панелей со стеклоэмалевым покрытием и алюминиевых панелей с внутренним заполнением из алюминиевых сот;
подготовка экспертного заключения о возможности использования исследуемых изделий в качестве облицовки наружных стен (фасадов) и потолков, в составе навесных вентилируемых фасадах, а также для внутренней декоративной отделки стен, потолков на перспективных ли- ниях и станциях, вокзальных комплексах, остановочных пунктах, депо и иных объектах транспортной инфраструктуры АО «РЖД», объектах городского железнодорожного транспорта, в том числе на объектах высокоскоростных железно- дорожных магистралей .

Метод

На кафедре «Строительные конструкции, зда- ния и сооружения» Россий ского университета транспорта были представлены для испытания опытные образцы металлокерамических облицо- вочных плит со стеклоэмалевым покрытием, состо- ящие из микролегированной высококачественной стали DC04EK, DIN EN 10209-2013, фритта (стекло- эмаль) Е-4206S грунтовый с высокими показате- лями кислотоустой чивости и фритта (стеклоэ- маль) RTU «Ferro» R349D покровной с высокими по- казателями кислотоустой чивости, сплошности, ис- тираемости и прочности (рис. 1).

Проведенные патентные исследования поз- волили выявить отличия в технологиях изготов- ления архитектурно-строительных элементов, по сравнению с существующими прямыми и кос- венными аналогами [1–20]. Дальнейшая разра- ботка технической системы (методики) испыта- ний опытных образцов архитектурно-строитель- ных элементов металлокерамических панелей со стеклоэмалевым покрытием и алюминиевых па- нелей с внутренним заполнением из алюминие- вых сот позволит учитывать определение необ- ходимых физико-механических и термических параметров для эффективной и надежной экс- плуатации на объектах городского железнодо- рожного транспорта, высокоскоростных желез- нодорожных магистралей и иных объектах транспортной инфраструктуры.

Рис. 1. Общий вид испытываемых алюминиевых панелей из сот (слева) и металлокерамических облицовочных плит со стеклоэмалевым покрытием (справа) во внутренней отделке транспортных пешеходных тоннелей (иллюстрации авторов)

В рассматриваемой методике подробно с подбо- ром оборудования и расходных материалов пред- ставлена технологическая последовательность определения у металлокерамических изделий:

размеров, правильности форм и качества по- верхности;
водопоглощения;
коэффициентов термического расширения (температурного коэффициента линейного рас- ширения) металла и керамики (стеклоэмали);
морозостойкости;
устойчивости к ультрафиолетовому излу- чению;
стойкости покрытия при циклических тем- пературных эксплуатационных воздействиях;
устойчивости к образованию пятен;
твердости покрытия;
химической стойкости;
устойчивость к растрескиванию глазури;
незначительных цветовых отклонений;
горючести и проведение метода испытания на изгиб при нормальной температуре.

Результаты и обсуждение

Технологический цикл изготовления опытных образцов металлокерамических облицовочных плит со стеклоэмалевым покрытием включает в себя иследующие операции: заготовку сырья (раскрой ные работы, гибку и формовку элементов облицовки, сварку боковых поверхностей с зачисткой сварных швов); механическую обработку (зачистку сварных швов, шлифовку лицевой поверхности); химическую обработку деталей (обезжиривание, травление, промывку, сушку); нанесение стеклоэмалевого покрытия в три слоя с послой ным высокотемпе- ратурным обжигом (первый этап – сушка, об- жиг, второй – сушка, обжиг, третий – сушка, об- жиг); контроль качества стеклоэмалевого по-

Рис. 2. Образец № 2 металлокерамических панелей во время подготовки испытаний на изгибочной машине (слева) и во время испытаний на изгиб (справа) (иллюстрации авторов)

Технологический цикл изготовления опытных образцов алюминиевых панелей с внутренним за- полнением из алюминиевых включает следующие процессы: заготовку сырья (раскройные работы, гибку, формовку элементов облицовки, сварку боковых поверхностей); механическую об- работку (зачистку сварных швов, шлифовку лицевой поверхности); химическую обработку (обезжиривание, травление, промывку, сушку); закррепление панелей; контроль качества панели.

Проведены также испытания панелей, размерами 100 × 400 мм в количестве 4 шт., на прочность при изгибе согласно разработанной методике и по п. 7 ГОСТ 27180-2019. Фотофиксация испытуемых образцов и хода иссследования представлена на рисунке 3. По результатам средняя прочность образцов при изгибе равняется 35,3 МПа.

Образец № 3 алюминиевых панелей с внутренним заполнением из алюминиевых сот на изгиб во время подготовки испытаний на изгибочной машине (слева) и во время испытаний на изгиб (справа) (иллюстрации авторов)

Результаты определения прочности при растяжении образцов алюминиевых панелей

Рис. 4. Подготовка образцов к испытанию, вид образца в испытательной машине и после испытания (иллюстрации авторов)

Рис. 5. Диаграммы «нагрузка-перемещение» для: а) образца № 1; б) образца № 2; в) образца № 3; г) образца № 4 (иллюстрации авторов)

Определение прочности при растяжении проводили на алюминиевых панелях с внутренним заполнением из алюминиевых сот размерами 100 × 100 мм в количестве 4 шт. Результаты представлены в таблице 1. На рисунке 5 – диаграммы «нагрузка – перемещение» для: а) образца № 1; б) образца № 2; в) образца № 3; г) образца № 4. Внешний вид четырех алюминиевых пане- лей до, вовремя и после испытаний приведены на рисунке 4. В результате средняя прочность образцов при изгибе равняется 1,0 МПа. Согласно представленным для инспектирования протоколов испытаний из лабораторий параметры опытных образцов для проведения исследований варьировались в зависимости от вида испытания. (табл. 2).

Виды испытания и размерный ряд опытных образцов

Рис. 6. Устройство облицовки стен, потолков: платформы, эскалаторных сходов, вестибюлей, зоны интеграции с применением передовых архитектурных систем «Квантум ПаРУС», «Квантум Керамик», «Квантум Гласс», «Квант Блэйд» во внутренней отделке станции метрополитена «Мичуринский проспект» (БКЛ) (иллюстрация автора – А. В. Федорченко)

Рис. 7. Оформление станции «Улица Новаторов» Коммунарской линии метро использованы декоративные кессоны на потолке и путевые стены, выполненные в матричном стиле. Для их создания применили алюминиевые сотовые панели различного размера с шлифованной поверхностью, покрытые кессонами, а также углубленные светильники, изготовленные из металлокерамики оранжевого оттенка (иллюстрация автора – А. В. Федорченко)

Выводы

В результате представленная и разработанная техническая система (методики) испытаний опытных образцов архитектурно-строительных элементов металлокерамических панелей со стеклоэмалевым покрытием и алюминиевых панелей с внутренним заполнением из алюминиевых сот позволила определить необходимые физико-механические и термические параметры для эффективной и надежной эксплуатации на объектах городского железнодорожного транспорта, высокоскоростных железнодорожных магистралей и иных объектах транспортной инфраструктуры Москвы и регионов.

В следующих публикациях будут представлены результаты исследований, направленные на изучение и улучшение эстетических и архитектурно-художественных характеристик элементов, а также на их го- рючесть. Перспективным направлением является архитектурное формирование облика куль- турного наследия городов на примере применения металлокерамических и многослойных алю- миниевых сотовых панелей. На рисунках 6–8 представлено внедрение архитектурно-строительных элементов в транспортное строитель- ное производство Москвы и Московской области.

Федоров Виктор Сергеевич, академик Российской академии архитектуры и строительных наук,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительные конструкции, здания
и сооружения», Российский университет транспорта (РУТ МИИТ), г. Москва, Российская Федерация;
ORCID: 0000-0002-0906-716X;

Купчикова Наталья Викторовна, кандидат технических наук, научно-исследовательский ин-
ститут городского транспорта города Москвы «МосТрансПроект»; доцент кафедры «Строительные
конструкции, здания и сооружения», Российский университет транспорта (РУТ МИИТ), г. Москва,
Российская Федерация; ORCID: 0000-0002-2986-4190

Федорченко Алексей Владимирович, аспирант, Центральный научно-исследовательский и проектный институт Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации, г. Москва, Российская Федерация; ORCID iD: 0009-0001-9561-1191; тел.: + 7 (909) 980-41-06;