X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Новый пустотелый строительный кирпич – технология изготовления
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Пятый год я изучаю свойства и применение на практике линии Штейнера. Линия Штейнера – это самая короткая линия, которая соединяет четыре вершины квадрата. Я уже предложила применять эту линию для создания новых лёгких и прочных композиционных материалов, для прокладки траншей в жилищно-коммунальном хозяйстве и для создания новой трубы, по которой можно перекачать сразу четыре вида жидкости или газа. Идея нового применения линии Штейнера появилась на стройке, когда на глаза попался пустотелый строительный кирпич. Что будет, если перегородки в пустотелом кирпиче сделать в виде линии Штейнера? В этом случае внутри кирпича будет меньше всего керамики, бетона или глины, но больше всего воздуха, который почти не проводит тепло. Значит, такой кирпич будет самым тёплым. В этой работе высказана гипотеза о хороших тепловых свойствах нового кирпича, но сами свойства будут изучены позднее опытным способом. Для проведения опытов нужно изготовить несколько новых кирпичей и сравнить их со старыми образцами. Сначала было решено изготовить новые кирпичи из бетона, а потом перейти на глину, чтобы можно было провести обжиг. В этой работе рассказано только о бетонной технологии отливки новых пустотелых строительных кирпичей. Изготовлены три вида новых образцов, потому что в стандартном кирпиче тремя способами можно разместить два квадрата с двумя линиями Штейнера. Три вида новых кирпичей позволят во время кладки изготовить столбик Штейнера от пола до потолка, внутри полостей будет воздух, который почти не проводит тепло. Три вида кирпичей позволяют выполнять кирпичную кладку любых конструкций: стен, углов, перегородок. При этом вертикальный столбик теплоизоляции везде будет сохраняться. Воздух не только плохо проводит тепло, но и звук тоже, поэтому новые кирпичи надо будет испытать как в тепловом отношении, так и на звукоизоляцию, но это следующие этапы работы, а здесь показана только технология изготовления опытных образцов.
Научная гипотеза и техническое предложение
В геометрии известна задача о соединении четырёх вершин квадрата самой короткой линией. Эту задачу решил Штейнер. Решение задачи – это линия из пяти отрезков с двумя перекрёстками с углами по 120 градусов. Сети Штейнера применяют для прокладки самых коротких дорог и линий электропередач. В этой статье предлагается применить известное геометрическое решение задачи для создания нового строительного кирпича или блока.
Идея применения ячейки Штейнера в строительстве появилась после решения нескольких практических задач. Ячейка Штейнера – это линия из пяти отрезков, которая самым коротким способом соединяет четыре вершины квадрата. Математические задачи могут быть не только на плоскости, но и в пространстве. А.И.Драцкой удалось найти новое решение обобщённой задачи Штейнера о соединении восьми вершин куба самой короткой линией [1]. Оказалось, что это 13 отрезков. Физические задачи связаны с мыльными плёнками [2]. С них началось исследование. Если кубическую проволочную рамку окунуть в мыльный раствор и вынуть, то сбоку сразу же видна линия Штейнера. Но математические и физические задачи были на время отложены, потому что требуют сложных расчётов. Пока эти расчёты были заменены измерениями, то есть экспериментальными методами. Полученных результатов достаточно, чтобы решить несколько практических задач. Первой практической задачей было создание самой лёгкой арматуры для нового прочного композиционного материала [3]. Мыльные плёнки не только самые лёгкие, но и самые прочные, поэтому нужно повторить форму мыльных плёнок в арматуре композиционного материала. Второй практической задачей стало изучение свойства анизотропии жёсткости ячейки Штейнера, потому что она по-разному изгибается в различных направлениях [4]. Третья практическая задача была решена для жилищно-коммунального хозяйства [5]. Было показано, как надо выкапывать канавы для водопроводных труб и электрических проводов, чтобы меньше всего вынимать земли и как можно меньше расходовать материала. Четвёртая практическая задача – это конструкция новой трубы с перегородкой Штейнера, по которой можно перекачать сразу четыре вида жидкости или газа [6]. Эта труба заменяет сразу четыре линии трубопровода и даёт большую экономию в затратах и массе конструкции.
Очередная практическая задача появилась, когда на глаза попался строительный кирпич с отверстиями. Сначала были изучены формы строительных кирпичей и блоков. Например, есть полнотелые кирпичи. Они прочные, но имеют три недостатка: тяжелые, теплопроводные и звукопроницаемые. Для уменьшения этих недостатков другие кирпичи делают пустотелыми. В пустотелых кирпичах почти в два раза уменьшается масса, теплопроводность и звукопроницаемость, но при этом уменьшается прочность. Пустоты в кирпичах и строительных блоках выполняют разной формы: прямоугольные, квадратные, круглые, овальные. Появилась идея сделать пустоты в кирпиче с перегородкой в форме ячейки Штейнера. Пока это только идея, то есть техническое предложение. Почему ячейка Штейнера выгодна для перегородки в пустотелом кирпиче? Рассуждение проводилось так. Строительный кирпич имеет названия трёх граней, приведённые ниже в порядке уменьшения площади: постель, ложок и тычок. Строительный кирпич со стороны постели – это прямоугольник из двух квадратов. Конечно, можно решить задачу Штейнера для прямоугольника, но это будет только математический результат без практического применения в строительстве. Два квадрата со стороны постели позволяют выполнять строительную вязку кирпичной стены множеством способов. Значит, пустотелость надо делать в квадратном сечении половины кирпича, а не во всём прямоугольнике постели. В строительстве есть пустотелые бетонные блоки с квадратными пустотами. Бетон очень прочный, поэтому часто можно облегчить конструкцию. Такой самый пустотелый кирпич с двумя квадратными пустотами нужен будет потом, как и полнотелый кирпич, для исследования тепловых свойств и для сравнения с предлагаемыми новыми конструкциями. В новом пустотелом кирпиче квадратную полость предлагается усилить перегородкой Штейнера. На первый взгляд, такое решение вполне обосновано тремя причинами. Во-первых, перегородка Штейнера требует меньше всего материала, поэтому в квадратной полости будет больше всего воздуха. Значит, новый пустотелый кирпич будет самым лёгким, с уменьшенной теплопроводностью и меньшей звукопроницаемостью. Во-вторых, в перегородке Штейнера есть два треугольника и две трапеции. Треугольник – это устойчивая фигура, поэтому перегородка Штейнера усилит квадратно-пустотелый кирпич, сделает его более прочным. В-третьих, перегородка Штейнера не нарушит традиционных способов строительной вязки при укладке кирпичей. Три типоразмера нового пустотелого кирпича позволят полностью использовать преимущества облёгчённости, теплоизоляции и звукоизоляции.
Геометрия нового строительного кирпича
На рис.1 показаны три основные типоразмера предлагаемого нового пустотелого кирпича. Первые две заглавные буквы перед габаритными размерами кирпича, указанными в миллиметрах, обозначают ориентацию перегородок двух ячеек Штейнера: В – вдоль длины кирпича, П – поперёк длины кирпича.
Рис.1. Три основные типоразмера нового пустотелого кирпича
Изучение нового пустотелого кирпича началось с геометрического расчёта. Для этого из площади грани-постели полнотелого кирпича нужно вычесть восемь пустот: четыре площади треугольника и четыре площади трапеции. Площадь постели полнотелого кирпича . Равнобедренный треугольник полости имеет стороны a=70 мм, b=40 мм, c=40 мм, его полупериметр равен . По формуле Герона вычисляем площадь сечения одной треугольной пустоты . Равнобокая трапеция полости имеет стороны d=78 мм, e=46 мм, f=46 мм, k=32 мм. высота трапеции равна . Средняя линия трапеции равна . Площадь сечения одной трапецевидной полости равна . Вычисляем площадь сечения нового пустотелого кирпича
Виды кладок из новых кирпичей
Во время кирпичной кладки не должен нарушаться столбик с линией Штейнера, иначе будет нарушена идея предлагаемого изобретения. Две ячейки Штейнера анизотропны как геометрически, так и в смысле прочности. О прочности было рассказано в предыдущей работе, здесь изучается пока только геометрия. Две ячейки Штейнера можно тремя способами расположить рядом друг с другом, поэтому надо изготовить три вида нового пустотелого кирпича. Все три образца потом надо изучить в тепловом отношении.
Новый пустотелый кирпич легче полнотелого кирпича на 38%. Все три новых типоразмера имеют одинаковую массу, потому что полости у них одинаковые, но только повёрнуты по-разному. Расположение полостей подободрано так, чтобы обеспечить строительную вязку кирпичей во время кладки. Во время кладки полости кирпичей располагаются строго одна над другой для уменьшения теплопроводности. Кладка таких кирпичей будет предметом изучения на следующем этапе исследования. Для примера на рис.2 показана однорядовая постельная кладка вприжим. В такой кирпичной перегородке сохраняются вертикальные колонны ячеек Штейнера, что способствует улучшению теплоизоляции и звукоизоляции.
Рис.2. Однорядовая кирпичная кладка на постель вприжим
Аналогично новыми кирпичами можно выполнять двухрядовую кладку на постель с сохранением вертикальных колонн из перегородок Штейнера. Двухрядовая кирпичная стена показана на рис.3. Вязка при кладке выполняется как в вертикальном направлении в каждом ряду, так и между рядами, то есть на середину кирпича одного ряда приходится стык кирпичей другого ряда. Кирпичных рядов может быть сколько угодно.
Рис.3. Двухрядовая кирпичная кладка на постель вприжим
Для кладки углов и состыковки перегородок со стенами понадобятся кирпичи с различной ориентацией перегородок Штейнера (ВВ, ПП, ВП). Три типоразмера нового кирпича позволят выполнить кладку типовых прямоугольных помещений. Кроме этого, понадобится половина кирпича. Каменщикам часть приходится «половинить» кирпичи. Но треть, четверть и другие доли кирпича с перегородкой Штейнера изготовит нельзя. Для примера на рис.4 показана часть комплексной кладки стены с углом и перегородкой.
Рис.4. Комплексная кладка стены из нового кирпича с углом и перегородкой
Технология изготовления опытных образцов – бетонное литьё
Исследование теплопроводности и звукоизоляции нового кирпича – это ближайшая задача. Для её решения надо изготовить несколько опытных образцов с различным поворотом перегородок Штейнера в полостях. Для решения этой задачи, для экспериментального изучения нового пустотелого кирпича, нужно было отработать технологию изготовления единичных опытных образцов. Сначала было решено изготовить модели новых кирпичей из бетона. Для этого была создана специальная форма для заливки раствора бетона. Проще всего было отлить из бетона полнотелый кирпич, потому что для него нужна самая простая опалубка – обычный деревянный ящик с внутренними размерами стандартного кирпича 250х120-65 мм. Такая опалубка с залитым полнотелым кирпичом показана на рис.5. Полнотелый кирпич нужен для сравнения его свойств с новыми образцами.
Рис.5. Отлитый из бетона полнотелый кирпич
На рис.6 показана отливочная форма и один из опытных образцов нового кирпича. Опалубка для отливки нового кирпича намного сложнее, чем для полнотелого.
Рис.6. Технология изготовления модели кирпича из бетона
Внешняя опалубка изготовлена из досок в виде ящика. Стенки ящика соединены друг с другом шурупами, чтобы после затвердевания бетона опалубку можно было разобрать. Изготовление внешней опалубки труда не вызывает, потому что нужно только аккуратно и правильно разметить ровные доски, отпилить заготовки, по очереди приложить их друг к другу, просверлить отверстия и завинтить шурупы. Очень удобно применять электрический шуруповёрт, который позволяет и отверстия сверлить, и шурупы завинчивать. Внутреннюю поверхность деревянного каркаса-ящика надо обложить полиэтиленовой плёнкой, чтобы вода из жидкого раствора бетона не уходила в дерево. Намного сложнее было изготовить внутреннюю опалубку для пустот в виде призм с основаниями из треугольников или трапеций. Были испытаны три варианта создания пустот в новом кирпиче. Первый вариант – вставка деревянных брусков нужной формы. Бруски легко изготовить, но зато очень трудно вынимать из затвердевшего бетона. Особенно сильно происходит прихватывание брусков к бетону в острых углах. Пока против такого прихватывания боролись только одним способом – несколько раз оборачивали бруски полиэтиленом и смазывали слои плёнки солидолом. Второй способ, заключается в изготовлении призм из целлулоида, который не прилипает в застывшему бетону. Листовой материал целлулоида легко изгибается при извлечении из полостей застывшего нового кирпича, но всё равно проблема сильного прихватывания остаётся. Наконец, третий способ оказался пока самым удобным. Он заключается в изготовлении призм для пустот из картона, не обязательно очень твёрдого. Потом картонные призмы окунают в краску. Очень хорошо показала себя для этой технологии латексная краска на водной основе. Покрашенные картонные призмы высыхают сутки, потом устанавливаются в специальную матрицу-держатель на дне деревянного ящика-опалубки. Между призмами и стенками опалубки заливается раствор бетона. Собранная форма для заливки с картонными перегородками показана на рис.7.
Рис.7. Форма с картонными перегородками для заливки бетона
Для опытов применялся готовый сыпучий пескобетон марки М300. Сверху призмы и ящик-опалубка закрываются такой же пластиковой матрицей-держателем. Залитая бетоном конструкция оставляется на сутки. Лучше выдержать двое суток или даже четверо, потому что считается, что через 100 часов бетон набирает достаточную прочность. После застывания бетона деревянная опалубка разбирается отвинчиванием шурупов. Матрицы-держатели призм из пластика снимаются. Картонные покрашенные призмы без малейшего труда извлекаются из полостей нового пустотелого кирпича. Недостатком такой технологии является одноразовость применения картонных призм, хотя есть гипотеза, что при других видах покрытия их можно будет применять несколько раз. Во время работы появилась идея сделать призмы из более твёрдого и наиболее дешёвого картона и вообще не извлекать их из полостей нового пустотелого кирпича. Такой вариант кирпича требует отдельного изучения. На рис.8 показана залитая бетоном новая опалубка.
Рис.8. Залитая бетоном опалубка нового кирпича
Специально нужно изучить толщину перегородки Штейнера в полости кирпича. В опытных кирпичах толщина перегородки равна 15 мм и 10 мм. В инструкции по применению пескобетона марки М300 сказано, что минимальная толщина заливки равна 8 мм. Перегородка внутри кирпича не несёт силовую нагрузку. Основное сжимающее усилие стены приходится на внешнюю стенку кирпича толщиной 15 мм. Но перегородка не должна разрушиться не только от силовых воздействий, но и от смены температурно-влажностного режима.
После извлечения из опалубок кирпичи имеют неровности и заусенцы, которые надо убрать с помощью болгарки и алмазного круга – это делает только руководитель работ или взрослый строитель, потому что пользоваться болгаркой опасно, да и удержать её нельзя, потому что она весит 7 кг. На рис.9 показано, как болгаркой с алмазным кругом убирают неровности.
Рис.9. Болгаркой работают только взрослые
После шлифовки кирпичи приобрели товарный вид и готовы для дальнейшего исследования. Шесть опытных кирпичей показаны на рис.10.
Ри.10. Шесть опытных кирпичей изготовлены для изучения
Заключение
Цель работы достигнута. Предложен новый пустотелый строительный кирпич и определены ближайшие задачи для изучения его свойств. С учебно-воспитательной и методической точек зрения под руководством студентки ВУЗа школьницей начато изучение программы Gooole SkatchUp8 для 3D-моделирования. Подготовлена заявка на патент на полезную модель «Пустотелый кирпич с перегородкой Штейнера». На рис.11 показаны новые кирпичи, готовые для дальнейшего изучения тепловых свойств – это моя авторская фотография.
Рис.11. Итог работы – новые опытные пустотелые кирпичи
Список литературы
1. Драцкая А.И., Скворцова А.А. Новое решение задачи Штейнера для композиционного материала о соединении восьми вершин куба самой короткой линией / 61-я Научная конференция МФТИ с международным участием. - П78 Программа 61-й Всероссийской научной конференции МФТИ. 19-25 ноября 2018 года. Секция прочности летательных аппаратов. - М.: МФТИ, 2018. – 116 с. – С. 59. - ISBN 978-5-7417-0678-7
2. Драцкая А.И., Скворцова А.А. Минимальные кубические структуры из стержней и плёнок / X Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и инновации в технических университетах». – Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого, 24-29 октября 2016. – Секция «Новые материалы и технологии». – С.47-48. – Электронный ресурс: http://ysc.spbstu.ru/forum2016/Forum2016.pdf
3. Драцкая А.И., Якимова Е.И. Модель композиционного материала с лёгкими кубическими силовыми ячейками / Сборник материалов. Третий междисциплинарный молодёжный научный форум с международным участием "Новые материалы 2017" - Москва, Совет молодых учёных Российской академии наук, Координационный совет по делам молодёжи в научной и образовательной сферах при Совете при Президенте Российской Федерации по науке и образованию. - М.: ООО "Буки Веди", 2017. - 903 с. – С.560-563. - ISBN 978-5-4465-1638-4. – Электронный ресурс: http://n-materials.ru/wp-content/uploads/2017/11/Sbornik.pdf
4. Драцкая А.И., Скворцова А.А. Анизотропия жёсткости арматуры композиционного материала с ячейками Штейнера / Наука и инновации в технических университетах: Материалы Тринадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных 23-25 октября 2019 г. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. - 169 с. - ББК 30.1 Н34. - Секция "Новые материалы и технологии". - С.53-55. - Электронный ресурс: http://www.semicond.ru/siforum2019/Forum2019.pdf
5. Драцкая А.И. Я берегу энергию. Деньги в песочнице. (#ВместеЯрче): 27.05.2019. Электронный ресурс (видеоролик): https://youtu.be/4yqgpON8RIw.
6. Драцкая А.И. Новая экономичная труба с перегородкой Штейнера для газопроводов. Научный руководитель Скворцова А.А. / Г12 Гагаринские чтения - 2020. XLVI Международная молодёжная научная конференция. Сборник тезисов докладов. - М.: Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2020. - 165 с. - Школьная сессия. - С.120-121. - УДК 629.7.01. - ББК 39.53 Г12. - Электронный ресурс: https://gagarin.mai.ru/files/2020/School_2020.pdf - Диплом за второе место в конкурсе.
Приложение. Результаты проверки статьи в системах «Антиплагиат» с показателями более 90%
Результат проверки статьи в системе TEXT.RU с уникальностью 90,41%
Результат проверки статьи в системе ANTIPLAGIAT.RU с уникальностью 90,41%