Черепица

В практике зарубежного строительства среди кровельных покрытий основное место занимает цементно-песчаная черепица (ЦПЧ), составляющая 2/3 общего объема производства кровельных материалов. Основные достоинства ЦПЧ: простота изготовления, невысокая стоимость, прочность, атмосферостойкость, долговечность. Будучи изготовленной на основе цветных цементов либо с использованием пигментов, кровля из ЦПЧ является подлинным украшением дома.
Изготавливаемое ведущими мировыми фирмами оборудование имеет широкий диапазон технических возможностей — от устройств с использованием ручных операций производительностью 1-1,5 тыс. штук в смену до полностью автоматизированных установок, выпускающих до 45 тыс. штук в смену.
Широко практикуются как объемное окрашивание, так и различные «облицовки» черепицы: напыление цветного цементного состава (иногда двух цветов одновременно), фактурная отделка, в том числе посыпка гранулятом цветного песка или напыление пластмассовой эмульсии на свежеотформованную поверхность.
Основные типы выпускаемой черепицы: римская, альпийская, венская (плоская). Основные цвета — красный, коричневый.
Для производства ЦПЧ в основном используется пресспрокатная технология. Черепица формуется на непрерывно движущейся ленте из фигурных литых поддонов, обеспечивающих формирование нижней поверхности изделия, ее верхняя часть профилируется и уплотняется роликом, под которым «протаскивается» поддон с дозированной порцией смеси. Термообработка черепицы производится на поддоне.
Реже используется технология вибропрессования, причем преимущественно для изготовления плоской черепицы.
При сравнении указанных технологий следует отметить как достоинства пресспроката — высокую производительность агрегата, малошумность, так и недостатки — невозможность использования особо жестких цементно-песчаных смесей, применяемых при вибропрессовании и обеспечивающих как высокие структурные характеристики материала, так и пониженный расход цемента; необходимость изготовления поддонов из специальных (обычно на основе алюминия) сплавов точного литья (причем этих поддонов на линию нужно столько, сколько выпускается в сутки изделий, т. е. несколько тысяч, что существенно сказывается на себестоимости изделий).
Особо важно для получения по этому способу качественной ЦПЧ иметь стабильные характеристики поступающих сырьевых материалов и устойчивый технологический процесс. Такое положение имеет место в зарубежной практике, где для изготовления черепицы используются только сухие, мытые, фракционированные пески и высокоактивные чистоклинкерные цементы.
Использование высококачественных сырьевых материалов позволяет стабилизировать технологический процесс, в том числе получать мелкозернистые смеси с постоянной удобоукладываемостью.
При производстве изделий из песчаного бетона на российских заводах сборного железобетона используются карьерные (речные) пески, не прошедшие обработки, с изменяющейся от партии к партии гранулометрией, загрязненностью и меняющейся в течение дня влажностью. Это обстоятельство делает сомнительной возможность массового применения пресспрокатной технологии без предварительной подготовки заполнителей, либо приводит к необходимости постоянной корректировки технологического процесса.
Вибропрессование — технологический процесс, гораздо менее критичный к составу бетона и качеству заполнителей. В отечественной практике накоплен большой опыт изготовления вибропрессованием с использованием песков, не подвергшихся переработке, тротуарных плит и фигурных элементов мощения, изделий по габаритам, близким к размерам черепицы, а по морозостойкости значительно превосходящих требования к ней.
В течение ряда лет совершенствовались вибропрессующие станки, на которых выпускаются элементы дорожных покрытий, и в настоящее время имеется ряд устойчиво работающих высокомеханизированных агрегатов.
Анализ состояния производства цементно-песчаной черепицы в отечественной и зарубежной практике позволяет сделать следующие выводы:
— имеется значительный и все усиливающийся интерес к производству черепицы;
— все большее количество организаций занимается разработкой оборудования для производства черепицы, и в основном это аналоги западных технологических линий пресспрокатного формования;
— отсутствует систематизированный анализ возможности воспроизводства зарубежных технологий;
— до настоящего времени нет стабильно работающего производства ЦПЧ (за исключением линий, использующих продукцию заводов сухих смесей либо специально подготовленных песков);
— отсутствуют разработки по новым конструкциям черепицы;
— существует возможность использовать для производства черепицы хорошо зарекомендовавшие себя вибропрессы для изготовления тротуарных плит, которые после небольшой переделки могут быть приспособлены для производства ЦПЧ.
Использование вибропрессования позволяет:
— избежать необходимости предварительной подготовки песков;
— получить изделие, конструктивная форма которого соответствует воспринимаемым воздействиям, и, следовательно, снизить его материалоемкость;
— упростить технологический процесс, в том числе за счет отказа от ряда механизмов;
— использовать цементно-песчаные смеси большей жесткости, что позволяет уменьшить расход цемента и сократить (либо вообще исключить) термообработку;
— получить готовое изделие за одну рабочую операцию.
Все это, несмотря на меньшую производительность вибропрессования по сравнению с пресспрокатом, обеспечивает снижение Себестоимости изделий.
При разработке конструкции вибропрессованной черепицы ставились как общие: для ЦПЧ задачи (конструктивная форма изделия должна обеспечивать его прочность, надежность крепления к обрешетке, ускоренный сток воды, иметь стык, исключающий протечки), так и задачи, позволяющие извлечь преимущества из уплотнения вибропрессованием.
Как уже упоминалось, одним из недостатков пресспрокатной технологии является использование: литьевых поддонов сложной конфигурации. Помимо того, что их применение существенно увеличивает стоимость линии, необходимость в чистке, смазке, возврата плохо стопируемых поддонов увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому использование при вибропрессовании плоских поддонов толщиной 4 мм существенно упрощает производство ЦПЧ.

Разработаны две новые конструктивные формы черепицы. Первая из них (рис. 6.36), названная плоско-волнистой, представляет собой пластину, имеющую на лицевой поверхности выступы и впадины, образующие после сборки в кровельное покрытие непрерывные волны. Одной из особенностей этой черепицы является стыковое соединение изделий в продольном направлении, образованное по схеме «врубка» и препятствующее проникновению воды. Поперечный шов закрыт вышележащей черепицей, что также исключает попадание в него воды. Опирание черепицы происходит по схеме «плоское на плоское». Крепление к обрешетке — гвоздями через 2 отверстия, находящихся на плоской части изделия, перекрываемой следующим рядом при укладке.
Вторая из предлагаемых конструкций — лотковая черепица (рис. 6.37). Трапецеидальное в плане очертание изделия позволяет создать «лотковую» схему, обеспечивающую непроницаемость поперечного стыка. Соотношение размеров подобрано таким образом, что тот же лоток, будучи перевернутым, накрывает 2 соседних ряда, обеспечивая водонепроницаемость продольного стыка, а также невозможность взаимных продольных подвижек. Крепление лотковой черепицы осуществляется также гвоздями через отверстия на перекрываемой части изделий. Сочетание выступов и впадин лотков создает архитектурно выразительную кровлю.

Формование также производится на плоском поддоне.
Лотковая форма изделия делает его достаточно жестким в плоскости сечения, что даст принципиальную возможность реализовать бесподдонное формование: после выпрессовки изделие может быть сдвинуто непосредственно на этажерку для термообработки, что упрощает технологический процесс.
В табл. 6.39 приведены основные характеристики как указанных вариантов цементно-песчаной черепицы, так и изделий фирм «BRAMAC» («Венская» плоская черепица) и «АВЕСЕ» («Римская» волнистая черепица).
Для используемых материалов (цемент ПО «Воскресенскцемент» Rц = 400, песок Тучковского карьера Mкр = 1,9-2,0, пигмент - редоксайд) был получен следующий состав песчаного бетона в производственных условиях (кг/м3): Ц = 500, П = 1670, Пг = 25, В = 176.
Режим тепловлажностной обработки (TBO) изделий, к которым предъявляются требования высокой морозостойкости, водонепроницаемости, должен быть «мягким» с температурой изотермы не выше 70°С и скоростью подъема температуры не более 20°С/ч.
Экспериментально длительность выдержки перед подъемом температуры устанавливалась по кривым структурообразования, построенным с использованием пластометра МГУ, и оценена для указанного выше состава в 1,5 ч. Таким образом, режим TBO составляет (1,5) + 2,5 + 6 + 1,5 = 11,5 ч (в камере термообработки — 8,5 часов, на территории цеха при температуре 20°С - 3 ч).

Указанный режим обеспечивает 70%-ную (отпускную) прочность через 4 ч после ТВО.
Однако изготовление черепицы на вибропрессе BИП-9MН, проведенное на установленном составе и соответствующем режиме ТВО, не позволило получить качественные изделия.
Как установлено, причины, в первую очередь, в неравномерном уплотнении смеси по площади изделия, что даже при соответствии черепицы требованиям по прочности приводило к ее «протеканию».
Интенсивное воздействие вертикально направленными колебаниями, используемое для уплотнения изделий на ВИП-9МН, позволяет эффективно уплотнять смесь в толстых плоских пластинах (тротуарная плитка), но не обеспечивают равномерного уплотнения черепицы — тонкой пластинки переменной толщины.
Систематические исследования факторов, влияющих на уплотнение, показали, что:
— необходимо обеспечить такое размещение смеси в матрице, чтобы ее конфигурация перед уплотнением соответствовала форме будущего изделия;
давление от пригруза должно быть менее интенсивным, чем при формовании тротуарной плитки, чтобы позволить перемещение частиц смеси в тонкой пластине иод воздействием вибрации и пригруза;
— целесообразно иметь в системе колебаний горизонтальные воздействия, позволяющие продольно-поперечное перемещение смеси. Кроме того, величина самих воздействий должна быть ниже, чем для тротуарных плит, иначе смесь переуплотняется и нарушается ее сплошность;
— следует несколько снизить жесткость перерабатываемых смесей по сравнению с тротуарной плиткой с тем, чтобы меньшим давлением вибропрессования обеспечить качественное уплотнение бетонной смеси. Критерием качества формования может являться достижение коэффициента уплотнения Kу = 0,98.
Возможность уменьшения жесткости смеси со 120 сек, принятой для тротуарных плит, до 60-80 сек обеспечивается тем, что черепица изготавливается и перемещается на поддоне, что исключает непосредственное воздействие транспортно-пакетирующих агрегатов на свежеотформованное изделие.
Из указанных выше четырех задач наиболее сложной в связи с отсутствием аналогов оказалась первая - рациональное размещение смеси в матрице.
Ее решение было получено в результате изменения режима формования.
Для изготовления указанных ЦПЧ была произведена разработка нового вибропресса ПВЧ-2, конструкцией которого:
— обеспечено приложение вибрационных воздействий не только со стороны виброплощадки, но и от пуансона;
— изменена гидравлическая схема подачи масла к пуансону, позволяющая его опускание на смесь с давлением, меньшим, чем от собственного веса траверсы и пуансона (система противодавления);
— изменена система вибровоздействий на матрицу: вместо вертикальных колебаний — пространственные, содержащие горизонтальную составляющую;
— дозирующее устройство отделено от формующего;
— предусмотрено формование «горячим» пуансоном.

Цикл формования, не превышающий 20 сек, включает:
— установку поддона;
— засыпку с помощью мерного ящика дозированной порции цементнопесчаной смеси. Ориентировочный коэффициент превышения объема смеси по отношению к объему изделия Kпр = 1,3;
— опускание пуансона на смесь без давления с вибрацией;
— вибрационное воздействие на смесь со стороны матрицы (поддона) преимущественно горизонтальными колебаниями ? = 50 Гц, А = 1,0-1,2 мм;
— вибропрессование смеси. Воздействие со стороны нагретого до температуры около 110°C пуансона, вертикально направленными колебаниями;
— отрыв пуансона от смеси без выключения вибрации;
— отключение вибрации;
— выпрессовка изделия на поддоне;
— перемещение изделия с поддоном на приемный столик.
Формование «горячим» пуансоном позволяет расширить диапазон удобоукладываемости смесей, что исключает прилипание смеси к пуансону, упрощает контроль технологического процесса и качества исходных материалов. Существует также возможность отказаться от общепринятой схемы термообработки изделий, ограничившись выдержкой черепиц в течение суток в отапливаемом помещении.
Вибропресс ПВЧ-2 (рис. 6.38) габаритными размерами 2620х730х1508 мм, массой 700 кг и установленной мощностью 3,5 кВт прост в изготовлении, обслуживании и не требует квалифицированных операторов.
Изготовленные на вибропрессе изделия были подвергнуты испытаниям на прочность, водонепроницаемость, морозостойкость. Причем на водонепроницаемость испытаниям подвергались как сама черепица, так и фрагмент покрытия для оценки водонепроницаемости стыков. Пo результатам 12-часовых испытаний не установлено протечек кровельного покрытия.
Показано, что существующая в стандарте схема испытаний черепицы на водонепроницаемость, предусматривающая оценку по воздействию столба воды в точке, является недостаточной и должна быть заменена испытаниями по всей плоскости изделия. Испытания на морозостойкость, как стандартные (на образцах), так и проведенные на изделиях, подтвердили, что ЦПЧ, изготовленная вибропрессованием, успешно выдерживает 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
По результатам механических испытаний установлено, что оба варианта черепиц, изготовленных из песчаного бетона М400, удовлетворяют требованиям по прочности.
Был изготовлен и успешно прошел испытания головной образец промышленного оборудования. В его комплект помимо вибропресса ПВЧ-2 входят стальные (? = 4 мм) поддоны, стеллажи для термообработки (выдержки) и контейнеры для транспортировки готовых изделий.
Разработана нормативно-техническая документация, включающая рабочие чертежи, технические условия и технологический регламент на изготовление черепиц.