Строительный блок размеры: виды, характеристики – размеры и свойства, фото

Содержание

Строительные блоки виды характеристики — размеры, цены и свойства (фото)

На смену всем известному кирпичу пришел строительный блок. Здания из этого материала возводятся значительно быстрее и имеют ряд преимуществ, одним из которых является высокий уровень сохранения тепла. Прочитав эту статью вы узнаете, какие бывают строительные блоки, виды, размеры. Цена изделия зависит от метода изготовления, материалов и габаритов. Строительные блоки виды, фото, размеры и прочее, всё это мы сейчас рассмотрим.

Обратите внимание на статью о том, как можно снизить стоимость за счёт применения щелевых блоков из керамзита.

Строительные блоки: виды, характеристики

Выделяют две категории камней:

  1. Искусственные – те, которые производятся на предприятиях путем смешивания сухих смесей в нужной пропорции. Чтобы изделия получились необходимых размеров, смесь заливают в формы.
  2. Природные – те, которые изготавливаются путем шлифовки натуральных пород камня. Применяются, в основном, для декоративной отделки.

Бюджетными, естественно, являются искусственные блоки строительные. Виды:

  • бетонные;
  • керамзитбетонные;
  • полистиролбетонные;
  • газосиликатные;
  • пенобетонные.

Бетонные блоки: виды, размеры, цена

Выпуск изделий регламентирован ГОСТом 13579-78. Согласно этому документу они подразделяются на три вида:

  1. Сплошные фундаментные. Маркировка ФБС.
  2. С вырезами. Маркировка ФБВ.
  3. Пустотные. Маркировка ФБП.

Сплошные фундаментные блоки, еще называются стеновыми. Из них возводят стены подвальных помещений и фундамент. Они обладают высокой устойчивостью к нагрузкам, но при этом имеют низкие теплоизоляционные свойства. Укладываются на грунт или песчаную подушку. ГОСТом (указанным выше) строго регламентированы размеры этих изделий:

  • ширина – 30 см, 40 см, 50 см, 60 см;
  • длина – 238 см, 118 см, 88 см;
  • высота – 28 см и 58 см.

Блоки ФБВ — это сплошные блоки с вырезами для прокладывания коммуникаций. Имеют специальные пазы для укладки перемычек. Используются для монтажа перекрытий. Размеры:

  • ширина – 30 см, 40 см, 50 см, 60 см;
  • длина – 88 см;
  • высота – 58 см.

Пустотные блоки. Имеют открытые пустоты, направленные вниз. Размеры согласно ГОСТу:

  • ширина – 40 см, 50 см, 60 см;
  • длина – 238 см;
  • высота – 58 см.

Цены изделий зависят от многих характеристик, которые необходимы именно для Вашего строительства.

Керамзитбетонные блоки

Производство регламентировано ГОСТом 6133-99. Согласно стандарту к керамзитбетонным  камням относятся изделия из тяжелых, легких и мелкозернистых бетонов. Они производятсяпустотелымии полнотелыми. Толщина наружных стенок пустотелых камней должна быть не менее 2 см, а масса блока не должна превышать 31 кг. Керамзитобетонные блоки применяются для кладки стен и перегородок. Так, выделяют лицевые и рядовые. Лицевые камни имеют одну (боковую) или две (боковую и торцевую) лицевые поверхности. В зависимости от места в кладке выделяют порядовочный, угловой и связочный камни. Размеры:

  • ширина – 7, 9, 19, 30, 39, 42,5, 49,5 см;
  • длина –  от 12 до 45 см;
  • высота – 19 см и 24 см.

Имеют плотность от 400 до 1800 кг/ куб.м.

Полистиролбетонные блоки

Производство полистиролбетона регламентировано ГОСТом 51263-99. Согласно стандарту для получения полистиролбетона смешивают цемент, воду, присадки для прочности и пенополистирольные гранулы. Полистиролбетонные строительные блоки, их виды:

  • для возведения несущих стен;
  • для возведения ограждающих конструкций каркасных построек;
  • для утепления.

Эти камни обладают плотностью от 150 до 600 кг/куб.м и обладают высокими теплоизоляционными характеристиками. Наиболее часто применяемые размеры камней:

  • теплоизоляционные плиты 60 см х 30 см х 9-20 см;
  • стеновые блоки 60 см х 30 см х 20-25 см;
  • межкомнатные перегородки 60 см х 30 см х 8-12 см.

Газосиликатные блоки строительные. Виды, свойства

Бывают в виде блоков или плит. Выпуск регламентирован ГОСТом 31360-2007. Газосиликатные блоки – это неармированные изделия из ячеистого бетона, предназначенные для возведения несущих стен и перегородок.

Могут иметь карманы для захвата, технологические сквозные или несквозные пустоты, а также быть выполнены в U-образной форме. Изготавливаются двумя способами:

  • неавтоклавный – изделие застывает в обычных условиях. Имеет более высокий показатель усадки при высыхании и менее прочен;
  • автоклавный – изделие высыхает под воздействием пара, который подается под давлением. Обладает повышенными показателями прочности и усадки при высыхании.

Применяются без пароизоляции при влажности воздуха до 75%. Размеры блока 62,5 см х 50 см х 50 см. Размеры плиты 150 см х 100 см х 60 см. Характеристики, определяющие их свойства:

  • средняя плотность – не выше D700;
  • прочность на сжатие – не ниже B1,5;
  • теплопроводность – от 0,08 до 0,1 вт/м;
  • усадка на высыхание – согласно ГОСТу 31359;
  • морозостойкость – для наружных стен F25, для других целей F15;
  • паронепроницаемость – согласно госту 31359.

Вес блока варьируется от 17 до 40 кг.

Пенобетонные блоки

Изготавливаются согласно ГОСТа 21520–89. В зависимости от плотности бывает три вида пеноблоков:

  • конструкционные – для постройки фундамента, цоколя или несущих стен. Марки D1000, D1100, D1200. Плотность от 1000 до 1200 кг/ куб.м;
  • теплоизоляционные – для монтажа изоляционного слоя. Марки D300, D350, D400, D500. Плотность от 150 до 400 кг/ куб.м;
  • конструкционно-теплоизоляционные – для возведения перегородок и несущих стен. Марки D500, D600, D700, D800, D900. Плотность от 500 до 900 кг/ куб.м.

Пенобетон отлично сберегает тепло. Это обусловлено пористой структурой камня.

Использование строительных блоков позволит значительно сэкономить средства при этом получить высококачественное, теплое, надежное помещение, которое прослужит Вам более ста лет.

Рекомендуем к прочтению статью о технологиях разработки газобетона.

виды и характеристики, размеры, цены за м3

При выборе материала для строительства и обустройства дома предпочтение отдается легким, невозгораемым, прочным и доступным изделиям с хорошими изоляционными свойствами и удобными для быстрой кладки размерами. Этим требованиям соответствуют блоки с разными видами наполнителя и вяжущего: бетонные, газосиликатные, шлаковые, керамзитовые, арболитовые, керамические и многослойные. Окончательный вариант подбирается с учетом несущих способностей фундамента, стоимости и сроков ведения работ, опыта строителей, потребности в дополнительном утеплении и других условий эксплуатации.

Оглавление:

  1. Виды и технические параметры
  2. Обзор стройматериалов
  3. Цена блоков

Какие лучше выбрать? Характеристики и свойства

Все строительные элементы разделяются на конструкционные и теплоизоляционные, выдерживаемая нагрузка определяется плотностью и классом прочности. Практически все имеют одинаковую по всему сечению структуру и параметры. Показатели зависят от вида используемого сырья и способа изготовления, технология кладки и число рядов выбираются исходя из размеров и теплового сопротивления.

1. Плотные бетоны.

В эту группу входят полнотелые и пустотные блоки на цементной основе с плотным и мелким наполнителем. Их применение позволяет получить прочные и долговечные конструкции, строительство из этого материала обходится недорого. Минусы всем известны: из-за высокой плотности даже пустотелые элементы стандартного размера (398×190×188 мм) весят не менее 30 кг, толщина швов составляет 10-12 мм, имеют большой коэффициент теплопроводности и выглядят непривлекательно.

2. Из ячеистых бетонов.

Изделия из автоклавного и неавтоклавного газобетона лучше других сохраняют тепло за счет пористой структуры, мало весят и поддаются простой обработке. Эта группа единственная совмещает достаточную прочность, паропроницаемость и низкую теплопроводность. Их советуют купить при ограниченных сроках – кладка на клей упрощает процесс, требования к фундаменту минимальные, при исключении мостиков холода нет необходимости в наружном утеплении, достаточно отделки. К минусам относят низкую прочность на изгиб, из-за риска образования трещин при возведении на неустойчивых грунтах лучше выбрать другой вариант.

3. Керамзитобетон.

Эта разновидность считается промежуточной между кирпичом и легкими бетонами. Она изготавливается путем прессования цементного раствора с наполнителем из обожженной глины, рабочие характеристики во многом зависят от размера фракций компонентов, максимальную плотность имеют изделия с добавлением крупного керамзитового песка. Ассортимент представлен полнотелыми и щелевыми блоками с разным назначением: рядовыми, лицевыми, перегородочными со стандартными размерами 188х190х390 и 188х90х390 мм. Качественный и закрытый от внешних воздействий керамзитобетон имеет практически вечный срок службы (при отсутствии отделки разрушается в первые года), из-за доступной цены его рекомендуют подобрать при ограниченном бюджете строительства. Материал сам по себе хорошо держит тепло, но из-за неровных стенок его кладка на клей невозможна, внешние стены нуждаются в утеплении и облицовке. О том, как сделать блоки из керамзитобетона своими руками, читайте в пошаговом руководстве.

4. Арболит.

Экологичный, огнестойкий и легкий стройматериал, устойчивый к большим весовым и механическим нагрузкам. Блоки из опилок и цемента, пропитанные минеральными добавками, используются в качестве стеновых и перегородочных, при высоких энергосберегающих свойствах они оставляют стены дышащими. Конструкционные марки арболита подходят для возведения домов с этажностью до 3 и внутренних несущих стен, теплоизоляционные – утепляющих прослоек. Стандартная длина составляет 500 мм, высота – 200, ширина варьируется от 150 до 300. Отличительной особенностью является хорошая прочность на изгиб, из всех видов легких бетонов этот самый трещиноустойчивый. К недостаткам относят высокое значение водопоглощения, стены не накапливают внутри влагу, но нуждаются в правильной защите. Качественный арболит обходится дорого, его рекомендуют выбрать при неограниченном бюджете.

5. С облицовкой и утеплителем.

Эти изделия относятся к многослойным и используются при кладке наружных стен. Несущая основа в них выполнена из поризованного керамзитобетона, утепляющая – из пенопласта или пеностекла, фасадная – из бетона повышенной плотности. Их внешняя сторона чаще всего имеет фактурное исполнение, в ряде случаев она даже не нуждается в покраске. Материалы слоев могут быть другими, сцепление их между собой обеспечивает композитная арматура. Элементы имеют высокую геометрическую точность и укладываются на тонкий слой клея, риск образования мостиков холода исключен. Для возведения дома используются несколько видов строительных блоков, номенклатура включает в себя стандартные, половинчатые, угловые, эркерные, поясные, доборные и четвертные (для проемов), при покупке важно знать точное количество.

6. Пенополистиролбетон.

Самая легкая и водоустойчивая разновидность, хорошо защищающая дом от потерь тепла. Назначение зависит от марки, самые плотные можно купить в качестве стеновых, низкий удельный вес позволяет увеличить их размеры и упрощает кладку. К явным минусам относят усадку и плохую адгезию наполнителя с частицами цемента, стены из этого материала нуждаются в надежной защите от УФ и механических воздействий. Низкая плотность также приводит к проблемам при монтаже проемов или крепежей, в целом пенополистиролбетон лучше выбрать в качестве утеплителя, чем стенового элемента.

7. Поризованные керамические блоки.

Имея практически одинаковую с кирпичом основу, весят меньше за счет значительного числа пустот (до 50%) и выигрывают у него в размерах (в 2-3 раза больше) и стоимости. Отличительной особенностью является наличие выступов и пазов на торцах, такое исполнение снижает риск образования мостиков холода на вертикальных швах. Уступая полнотелому кирпичу в прочности, этот вид выигрывает в скорости строительства, при грамотном выполнении стыков стены не нуждаются в отделке.

Эксплуатационных недостатков нет, но из-за тонких стенок требует осторожности при разгрузке (его лучше приобрести с запасом), в ходе монтажа важно исключить попадание внутрь пустот влаги.

Характеристики приведены в таблице:

Наимено-ваниеДиапазон плотности, кг/м3Проч-ность, кгс/см2Коэффи-циент теплопро-водности, Вт/м·°СПаро-прони-цаемость, мг/м·ч·ПАМорозо-стойкость, цикловВодо-погло-щение, %Усадка, мм/м
Бетон500-2000От 100От 0,8 и выше0,35080,5
Пенобетон150-120015-250,07-0,150,2615-75143
Газосиликат25-450,08-0,210,2315-25200,3
Арболит400-8505-350,08-0,170,325-5040-850,4-0,5
Керамзито-бетон500-180050-1500,18-0,90,26-0,09425-75500
Пенополисти-ролбетон200-60015-350,05-0,1450,135-0,06850-20041
Керами-ческие блоки650-10001000,2-0,360,1735-509-110

Чёткое расставление приоритетов и понимание различий между материалами поможет сделать правильный, основательный выбор. Приоритет должен находиться в плоскости экономии, теплоизоляции или прочности. Каждый материал хороший, но по-своему.

Технические характеристики

Система BuildBlock ICF включает в себя конструктивные особенности премиум-класса, которые экономят ваше время, деньги и избавляют от лишних хлопот на рабочем месте. Приведенные ниже характеристики помогут вам легко выбрать лучшие продукты для вашего проекта.

BuildBlock CSI Коммерческая спецификация

Документ ниже содержит спецификации CSI продуктов BuildBlock. Этот документ с техническими характеристиками продукта позволяет разработчику указать Раздел 03 19 11 «Изоляция бетонных формовочных материалов» для стен с R-22 или выше, а также их установку и отделку.Он предоставляется в форматах PDF, Word 2007+, Word 1997-2003 и Rich Text и может быть отредактирован в соответствии с потребностями конкретных проектов. Этот документ также включен в качестве Раздела 11 в Техническое руководство по установке и установке BuildBlock.

Обратитесь за помощью в технический отдел BuildBlock [адрес электронной почты защищен] или 405-212-3138.

Категория BIMобъектов: Стены — Наружные стены
Классификация IFC: Стена
Название UNSPSC: Конструкционные строительные изделия
Код UNSPSC: 3013
Юникласс 1.4 Код: L32233
Uniclass 1.4 Описание: Блоки изолированные
Uniclass 2.0 Код: СС-25-25
Uniclass 2.0 Описание: Системы облицовки стен
Uniclass 2015 Код: Pr_20_93_52_42
Uniclass 2015 Описание: Утепленные бетонные блоки
Код ссылки NBS: 25-25
NBS Ссылка Описание: Системы облицовки стен
CSI MasterFormat 2014 Код: 03 11 19
CSI MasterFormat 2014 Название: Формовка изоляционного бетона
Номер OmniClass: 23-13 31 17 17
OmniClass Название: Изолированные бетонные опалубки
CSI UniFormat II Код: B2010
CSI UniFormat II Название: Наружные стены

Наверх

Общие технические характеристики продукта BuildBlock и BuildLock ICF

Это основные спецификации продуктов для стен BuildBlock, BuildLock Knockdown и GlobalBlock ICF.

Форма

(высота 16 дюймов)

Ядро
Ширина
Длина

Ext — Int

Возврат

Внешний — Внутренний

Площадь
Бетон

Объем

Значение R

Перф. R-значение

Прямой

4 из
101.6 мм

9 дюймов
228,6 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.065844 ярд3
.050341 м3

R-22
R-45-55

6 дюймов
152,4 мм

11 дюймов
279,4 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5.33 фут2
0,4951 м2

.098765 ярд3
.075511 м3

R-22
R-45-55

8 дюймов
203,2 мм

13 дюймов
330,2 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.131687 ярд3
.100682 м3

R-22
R-45-55

Угол 90 °

4 из
101.6 мм

9 дюймов
228,6 мм

31 дюйм — 22 дюйм
787,4 мм — 558,8 мм

19 дюймов — 10 дюймов
482,6 мм– 254 мм

Внешний вид
5,56 фут2
,5165 м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.054574 ярд3
.041725 м3

R-22
R-45-55

6 дюймов
152,4 мм

11 из
279.4 мм

33 дюйма — 22 дюйма
787,4 мм — 558,8 мм

21 дюйм — 10 дюймов
533,4 мм — 254 мм

Внешний вид
6,00 фут2
.5574 м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.086528 ярд3
.066155 м3

R-22
R-45-55

8 дюймов
203,2 мм

13 дюймов
330,2 мм

35 дюймов — 22 дюйма
787.4 мм — 558,8 мм

23 дюйма — 10 дюймов
584,2 мм — 254 мм

Внешний вид
6,44 фут2
0,5983 м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.121517 ярд3
.0

м3

R-22
R-45-55

Угол 45 °

4 дюйма
101,6 мм

9 дюймов
228,6 мм

28 дюймов — 24.272 дюйма
711,2 мм — 558,8 см

16 дюймов — 12,272 дюйма
406,4 мм — 311,7 мм

Внешний вид
4,89 фут2
0,4542 м2

Интерьер
4,06 фут2
0,3771 м2

.054985 ярд3
.042039 м3

R-22

Р-45-55

6 дюймов
152,4 мм

11 дюймов
279,4 мм

28 дюймов — 23,444 дюйма
71.12 см — 59,55 мм

16 дюймов — 11,444 дюйма
406,4 мм — 290,7 мм

Внешний вид
4,89 фут2
0,4542 м2

Интерьер
3,88 кв. Фута
0,3604 м2

.080841 ярд3
.061807 м3

R-22
R-45-55

8 дюймов
203,2 мм

13 дюймов
330,2 мм

28 дюймов — 22,615 дюймов
711,2 мм — 574.4 мм

16 дюймов — 10,615 дюймов
406,4 мм — 269,6 мм

Внешний вид
4,89 фут2
0,4542 м2

Интерьер
3,69 кв. Фута
. 3428 м2

.105425 ярдов3
.08060 м3

R-22
R-45-55

Кирпичный дом

6 дюймов
152,4 мм

НЕТ

48 из
1219.2 мм

н / д

4 фута 2
0,3716 м2

.134140 ярдов3
.102557 м3

R-22
R-45-55

8 дюймов
203,2 мм

НЕТ

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

4 фута 2
0,3716 м2

.167074 ярд3
.127737 м3

R-22
R-45-55

Верхняя часть с двойным конусом

6 дюймов
152.4 мм

НЕТ

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.130128 ярдов3
.099489 м3

R-22
R-45-55

8 дюймов
203,2 мм

НЕТ

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5.33 фут2
0,4951 м2

.163050 ярд3
.124660 м3

R-22
R-45-55

BuildLock
Нокдаун
Прямой

4 дюйма
101,6 мм

9 дюймов
228,6 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
.4951 кв.м

.065844 ярд3
.050341 м3

R-22
R-45-55

6 дюймов
152,4 мм

11 дюймов
279,4 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.098765 ярд3
.07551 м3

R-22
R-45-55

8 из
203.2 мм

13 дюймов
330,2 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.131687 ярд3
.100682 м3

R-22
R-45-55

10 дюймов
254 мм

15 дюймов
381 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5.33 фут2
0,4951 м2

.164609 ярд3
.125852 м3

R-22
R-45-55

12 дюймов
304,8 мм

17 дюймов
431,8 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.197529 ярд3
.151022 м3

R-22
R-45-55

BuildLock
Нокдаун
Угол 90 °

10 дюймов
254 мм

15 дюймов
381 мм

37 дюймов — 22 дюйма
939.8 мм– 558,8 мм

25 дюймов — 10 дюймов
635 мм — 254 мм

Внешний вид
6,88 фут2
,6391м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.151444 ярд3
.115787 м3

R-22
R-45-55

12 дюймов
304,8 мм

17 дюймов
431,8 мм

39 дюймов — 22 дюйма
990,6 мм — 558,8 мм

27 дюймов — 10 дюймов
685.8 мм — 254 мм

Внешний вид
7,33 фут2
,6809 м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.1

ярд3
.146341 м3

R-22
R-45-55

Наверх

BuildRadius Технические характеристики продукта

BuildRadius Радиусный блок длиной 2 фута

BuildRadius Радиусный блок длиной 4 фута

BuildRadius Радиусный блок длиной 8 футов

BuildRadius Радиусный блок длиной 12 футов

BuildRadius Радиусный блок длиной 16 футов

BuildRadius Радиусный блок 20 футов

Код продукта
BBR-602
BBR-604
BBR-608
BBR-612
BBR-616
BBR-620
90 ° Длина дуги 2 фута / 60.96 см 121,92 см / 4 фута 8 футов / 243,84 см 365,76 см / 12 футов 16 футов / 487,68 см 20 футов / 609,6 см
Угловой блок 90 ° 90 ° 22,5 ° 15 ° 11,25 ° 9 °
Длина OuterArc 24 дюйма / 60,96 см 48 дюймов / 121,92 см 24 дюйма / 60,96 см 24 дюйма / 60,96 см 24 дюйма / 60,96 см 24 дюйма / 60.96 см
Длина внутренней дуги 51,27 см / 20,1875 дюйма 30,68 дюйма / 77,94 см 19,75 дюйма / 50,16 см 21,125 дюйма / 53,65 см 21,8125 дюймов / 55,40 см 22,25 дюйма / 56,51 см
Прямой нож 18 дюймов / 6 дюймов
45,72 см / 15,24 см
12 дюймов / 0
30,48 см / 0
0 0 0 0
Высота панели 16 дюймов / 40.64 см 16 дюймов / 40,64 см 16 дюймов / 40,64 см 16 дюймов / 40,64 см 16 дюймов / 40,64 см 16 дюймов / 40,64 см
Площадь поверхности внешней панели 5,333 фут2
0,4951 м2
6,667 фут2
0,6193 м2
2,667 фут2
0,2477 м2
2,667 фут2
0,2477 м2
2,667 фут2
0,2477 м2
2,667 фут2
0,2477 м2
Площадь внутренней панели 4.91 фут2
0,4561 м2
4,743 фут2
0,4406 м2
2,194 фут2
0,2038 м2
2,347 фут2
0,2180 м2
2,424 фут2
0,2251 м2
2,472 фут2
0,229 м2
Бетон Объем 0,056296 ярд³
0,043041 м3
0,105645 ярд³
0,080771 м3
0,045099 ярд³
0,03448 м3
0,04642 ярд³
0,035490 м3
0,04715 ярд³
0,036048 м3
0,047606 ярд³
0.036397 м3
Наружный диаметр 2,55 футов. / 30,56 дюйма
77,72 см
5.09 футов. / 61,12 дюйма
155,14 см
10,19 футов. / 122,23 дюйма
310,59 см
15,28 футов. / 183,35 дюйма
465,73 см
20,37 футов. / 244,46 дюйма
620,88 см
25,46 футов. / 305,58 дюйма
776,02 см
OuterRadius 1,27 фута / 15,28 дюйма
38,81 см
2,55 фута / 30,56 дюйма 77,724 см 5,09 футов / 61.12 дюймов
155,14 см
7,64 фута / 91,67 дюйма
232,87 см
10,19 фута / 122,23 дюйма
310,59 см
152,79 дюйма / 12,73 фута
388,01 см
Внутренний диаметр 0,71 фута / 8,5 дюйма
21,64 см
3,26 фута / 39,125 дюйма
99,36 см
8,35 фута / 100,25 дюйма
254,51 см
13,45 футов / 161,375 дюйма
409,96 см
18,54 фута / 222,5 дюйма
565,1 см
23,63 фута / 283,625 дюйма
720,24 см
Внутренний радиус 0.36 футов / 10,97 см 49,68 см / 1,63 фута 127,41 см / 4,18 фута 204,82 см / 6,72 фута 282,54 см / 9,27 фута 360,27 см / 11,82 фута
Окружность 8 футов / 2,4384 м 16 футов / 4,8768 м 32 фута / 9,7536 м 48 футов / 14,6304 м 64 фута / 19,50 72 м 80 футов / 24,384 м
EPS Глубина пены 2,5 дюйма / 5 дюймов всего
6,35 см / 12,7 см всего
2.5 ″ / 5 ″ Всего
6,35 см / 12,7 см Всего
2,5 дюйма / 5 дюймов всего
6,35 см / 12,7 см всего
2,5 дюйма / 5 дюймов всего
6,35 см / 12,7 см всего
2,5 дюйма / 5 дюймов всего
6,35 см / 12,7 см всего
2,5 дюйма / 5 дюймов всего
6,35 см / 12,7 см всего

Наверх

GlobalBlock All Foam ICF Общие технические характеристики продукта

Форма

(высота 16 дюймов)

Ядро
Ширина
Длина

Ext — Int

Возврат

Внешний — Внутренний

Площадь
Бетон

Объем

Значение R

Перф.
R-значение

GlobalBlock

4 дюйма
101,6 мм

9 дюймов
228,6 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.043906 ярд3
.033569 м3

R-26
R-45-55

6 дюймов
152.4 мм

11 дюймов
279,4 мм

48 дюймов
1219,2 мм

н / д

5,33 фут2
0,4951 м2

.062947 ярд3
.048126 м3

R-30
R-45-55

GlobalBlock
Угол 90 °

4 дюйма
101,6 мм

9 из
228.6 мм

40 дюймов — 31 дюйм
1016 мм — 787,4 мм

28 дюймов — 19 дюймов
711,2 мм — 48,26 мм

Внешний вид
7,56 фут2
0,7023 м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.050831 ярд3
.038863 м3

R-26
R-45-55

6 дюймов
152,4 мм

11 дюймов
279,4 мм

42 дюйма — 31 дюйм
1066.8 мм — 787,4 мм

30 дюймов — 19 дюймов
762 мм — 482,6 мм

Внешний вид
8,00 фут2
0,7432 м2

Интерьер
3,56 фут2
.3307 м2

.084626 ярд3
.064701 м3

R-30
R-45-55

Наверх

BuildBuck Технические характеристики дверных и оконных фиксаторов

ТОВАР Длина НОМИНАЛЬНАЯ ДЛИНА Ширина Толщина Масса R-стоимость Площадь ФОРМЫ
BK-400
BuildBuck9in
52 дюйма
1320.8 мм
48 дюймов
1219,2 мм
9 дюймов
228,6 мм
2 дюйма
50,8 мм
4 фунта.
1,81 кг
8,4 3,125 фут2
0,3550 м2
BB-400 | BL-400 | ГБ-400
BK-600
BuildBuck11in
52 дюйма
1320,8 мм
48 дюймов
1219,2 мм
11 дюймов
279,4 мм
2 дюйма
50,8 мм
4 фунта.
1,81 кг
8,4 3,82 фута 2
0,3550 м2
BB-600 | BL-600 | ГБ-600
BK-800
BuildBuck13in
52 дюйма
1320.8 мм
48 дюймов
1219,2 мм
13 дюймов
330,2 мм
2 дюйма
50,8 мм
4,5 фунта.
2,04 кг
8,4 4,51 фут2
0,4190 м2
BB-800 | BL-800 | ГБ-800

ПРИМЕЧАНИЕ: BuildBuck совместим со всеми блоками ICF 4, 6 и 8 дюймов с панелями из пенополистирола толщиной 2,5 дюйма.

Наверх

BuildDeck Технические характеристики продукта

BuildDeck ВЫСОТА ДЛИНА ШИРИНА ПЛОЩАДЬ БЕТОН
ОБЪЕМ
R-ЗНАЧЕНИЕ
8 дюймов 8 ″ 24 ″ 24 ″ 4.0 кв. Футов * .05111111 R-23
10 дюймов 10 ″ 24 ″ 24 ″ 4.0 кв.футов * 0,055854 R-29
12 дюймов 12 ″ 24 ″ 24 ″ 4.0 кв.футов * .060432 R-36
12 дюймов + 2 пены 14 ″ 24 ″ 24 ″ 4.0 кв.футов *.0653291 R-42
* Объем бетона на основе высоты верхней крышки 3 ″. Добавить 0,0122222 куб. ярд на форму за каждый дополнительный 1 ″.

Наверх

Доступны бесплатные онлайн-курсы обучения ICF по BuildBlock!

Размеры, формы и отделки бетонных блоков (CMU)

Бетонные блоки, также известные как блоки бетонной кладки или CMU, обеспечивают очень прочные структурные и неструктурные перегородки.Обычно они используются в качестве опорной стены, которая покрывается отделочным материалом или выставляется в утилитарных помещениях, таких как механические помещения или подвалы. Их можно покрасить, чтобы получить более чистую отделку, но они также производятся с другой отделкой, которая помогает улучшить эстетическое качество по сравнению с традиционным серым CMU.

Номинальные и фактические размеры

Как и кирпич, КМУ имеют фактические и номинальные размеры. Номинальный размер CMU равен фактическому размеру плюс ширина шва.Типичные швы из раствора CMU составляют 3/8 дюйма. Номинальный размер соответствует 4-дюймовой сетке, которой следуют другие строительные материалы. На приведенном ниже графике показана разница между номинальными и фактическими размерами.

Бетонный блок — номинальные и фактические размеры

Бетонный блок (CMU), размеры

Бетонные блоки для каменной кладки (CMU) производятся в различных размерах. Их идентифицируют по глубине, т. Е. Толщине стены, которую они создают. Например, 6-дюймовый CMU имеет номинальную глубину 6 дюймов, а 10-дюймовый CMU — номинально 10 дюймов.

Бетонные блоки также бывают половинного размера, что помогает уменьшить необходимость резать блоки в поле по углам или по краям стен. Архитектор всегда должен пытаться проектировать здания, используя номинальные размеры с точностью до ближайшего полблока, чтобы сократить отходы и трудозатраты на разрезание блоков.

В следующей таблице указаны номинальные и фактические размеры бетонных блоков. Стандартными размерами являются 4, 6, 8, 10 и 12 дюймов, но некоторые производители предлагают другие размеры, не указанные ниже.

CMU Размер Номинальные размеры
Д x В x Д
Фактические размеры
Д x В x Д
4 «CMU Full Block 4 дюйма x 8 дюймов x 16 дюймов 3 5/8 «x 7 5/8» x 15 5/8 «
4-дюймовый полублок CMU 4 дюйма x 8 дюймов x 8 дюймов 3 5/8 «x 7 5/8» x 7 5/8 «
6-дюймовый CMU Full Block 6 дюймов x 8 дюймов x 16 дюймов 5 5/8 «x 7 5/8» x 15 5/8 «
Полублок CMU 6 дюймов 6 дюймов x 8 дюймов x 8 дюймов 5 5/8 «x 7 5/8» x 7 5/8 «
8-дюймовый CMU Full Block 8 дюймов x 8 дюймов x 16 дюймов 7 5/8 «x 7 5/8» x 15 5/8 «
8-дюймовый полублок CMU 8 дюймов x 8 дюймов x 8 дюймов 7 5/8 «x 7 5/8» x 7 5/8 «
10-дюймовый CMU Full Block 10 дюймов x 8 дюймов x 16 дюймов 9 5/8 «x 7 5/8» x 15 5/8 «
Полублок CMU 10 дюймов 10 дюймов x 8 дюймов x 8 дюймов 9 5/8 «x 7 5/8» x 7 5/8 «
12-дюймовый CMU Full Block 12 дюймов x 8 дюймов x 16 дюймов 11 5/8 «x 7 5/8» x 15 5/8 «
12-дюймовый полублок CMU 12 дюймов x 8 дюймов x 8 дюймов 11 5/8 «x 7 5/8» x 7 5/8 «

Технические характеристики бетонной кладки (CMU)

Изготовители

CMU должны соответствовать стандартам ASTM при изготовлении бетонных блоков.Стандарты определяют соответствующие материалы, прочность на сжатие, допуск по размерам, влагопоглощение и другие рабочие характеристики.

Бетонный кирпич изготавливается из бетона, подобного бетонному блоку, но бетонные кирпичи изготавливаются в размерах, соответствующих традиционным глиняным кирпичам (т.е. 2 2/3 дюйма в высоту).

Вес бетонных блоков различается в зависимости от плотности используемой бетонной смеси. Существует три классификации CMU: легкие (менее 105 фунтов / фут 3 ), среднего веса (от 105 фунтов / фут 3 до 125 фунтов / фут и нормального веса (более 125 фунтов / фут 3 ). .Более легкие CMU менее дороги, требуют меньше труда для установки и, как правило, обладают лучшими характеристиками огнестойкости. Более тяжелые блоки имеют тенденцию к снижению передачи звука, имеют гораздо более высокую прочность на сжатие и большую теплоаккумулирующую способность; однако они более дорогие и их установка дороже. Архитекторы должны указать вес CMU, если требуется конкретный вес.

В следующей таблице представлены стандарты ASTM, применимые к бетонным кладкам. ASTM C90 охватывает большинство стандартных конструкций CMU и является стандартом, на который ссылаются коды ICC.

ASTM Designtaion Тип CMU
ATSM C55 Бетонный кирпич
ASTM C73 Кирпич облицовочный из силиката кальция
ASTM C90 Несущие бетонные блоки
ASTM C139 КМУ для строительства водосборных бассейнов и колодцев
ASTM C744 Каменная кладка из предварительно обработанного бетона и силиката кальция
ASTM C936 Бетонные блоки с монолитным замком
ASTM C1372 Сегментные подпорные стенки

Формы бетонных блоков (CMU)

Доступно почти бесконечное количество форм CMU.На изображениях ниже представлены наиболее распространенные формы, но вам следует уточнить у местного производителя CMU, нужны ли вам особые формы или отделка.

Отделка поверхности бетонной кладки (CMU)

Как и в случае с формами, существует большое количество вариантов отделки, поэтому вы можете сделать утилитарный серый бетонный блок намного более эстетичным. Обязательно встретитесь с вашим местным представителем CMU, чтобы узнать, какие типы отделки они предлагают и по какой цене.

Цветной CMU

Пигменты можно добавлять как в бетонный блок, так и в раствор.Это позволяет блоку и раствору смешиваться вместе или иметь резкий контраст. Имейте в виду, что цвет модулей CMU будет естественным, даже если они из одной производственной партии. Поэтому важно, чтобы архитектор рассмотрел не менее 3 образцов блоков, демонстрирующих ожидаемые цветовые вариации.

Если цвет должен быть однородным или точным, вы можете рассмотреть возможность окраски блока и раствора. Покраска обычно выполняется внутри помещений, но может также выполняться и на внешних поверхностях.Обязательно обратитесь к производителю CMU и поставщику краски, чтобы выбрать подходящую краску для вашей ситуации.

Застекленная КМУ

Glazed CMU имеет глазурованную отделку, напоминающую плитку, на основе полимерного покрытия. Покрытие предлагает широкий выбор цветов, а также некоторые рисунки из искусственного материала. Эти поверхности могут обеспечивать повышенную устойчивость к граффити и химическим веществам. Застекленный CMU покрывается стандартом ASTM C744, но блоки по-прежнему должны соответствовать стандарту ASTM C90 для несущего CMU.

Расщепленный CMU

CMU с разъемной поверхностью изготавливается путем формования двух блоков бок о бок с последующим их механическим разделением после обжига. Это создает очень грубую текстуру, которая, по мнению некоторых, похожа на камень, тем более что агрегаты в блоке также расколоты или обнажены.

Ребристые или рифленые блоки (рисунок выше в разделе «Фигуры») также могут иметь отделку с разделенной поверхностью для добавления дополнительной текстуры.

Разъемный CMU снизу, гладкий CMU сверху

Soft-Split CMU

Soft-Split CMU изготавливается с использованием специальных форм, которые создают вид разделенной поверхности вместо механического разделения блоков.Эффект немного менее грубый, чем при расколотом покрытии. Кроме того, плесень означает, что агрегаты не обнажаются.

Вороненый или полированный CMU

Также называемый CMU с шлифованной поверхностью, бетонные блоки можно полировать или полировать, чтобы обнажить естественные заполнители в бетонной смеси. Важно работать с производителем, чтобы выбрать привлекательный заполнитель и протестировать процесс полировки, чтобы убедиться, что вы получите желаемый эстетический вид.

Пескоструйная обработка CMU

Пескоструйная очистка бетонных блоков кладки также обнажает заполнитель, но также удаляет часть песка и цемента, чтобы создать более грубый вид.Некоторые люди считают, что это создает естественный вид выветривания вместо более гладкого вида полированного или полированного CMU.

Грабли ЦМУ

Рифленые (или бороздчатые) блоки имеют вертикальные передние отметки, нанесенные в процессе формования. Следы граблей не такие глубокие, как блоки с насечками или ребрами, указанные выше в разделе «Фигуры», но они добавляют привлекательной текстуре блоку. Вы также можете указать, что блоки с насечками или ребрами имеют дополнительный узор с граблями, применяемый для большей текстуры.

ТИПОВЫЕ РАЗМЕРЫ И ФОРМЫ БЕТОННЫХ БЛОКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Бетонная кладка — один из самых универсальных строительных продуктов, доступных из-за большого разнообразия внешнего вида, который может быть достигнут с использованием бетонных блоков. Бетонные блоки для каменной кладки производятся разных размеров, форм, цветов и текстур для достижения различных отделок и функций. Кроме того, из-за своей модульной природы различные бетонные блоки можно комбинировать в одной стене, чтобы добиться различий в текстуре, узоре и цвете.

Некоторые размеры и формы бетонной кладки считаются стандартными, в то время как другие популярны только в определенных регионах. Местные производители могут предоставить подробную информацию о конкретных продуктах или возможности производства нестандартных единиц.

РАЗМЕР УСТАНОВКИ

Как правило, бетонные блоки из каменной кладки имеют номинальные лицевые размеры 8 дюймов (203 мм) на 16 дюймов (406 мм) и имеют номинальную толщину 4, 6, 8, 10, 12, 14 и 16 дюймов.(102, 152, 203, 254, 305, 356 и 406 мм). Номинальные размеры относятся к размеру модуля для планирования схем соединения и модульной компоновки по отношению к дверным и оконным проемам. Указанные 3 размера бетонных блоков каменной кладки обычно на 3/8 дюйма (9,5 мм) меньше номинальных размеров, так что модуль 4 или 8 дюймов (102 3 или 203 мм) выдерживается с 3/8 дюйма (9,5 мм). ) растворные швы. На Рисунке 1 показаны номинальные и указанные размеры для номинального блока бетонной кладки 8 x 8 x 16 дюймов (203 x 203 x 406 мм).В дополнение к этим стандартным размерам у местных производителей бетонной кладки могут быть доступны блоки другой высоты, длины и толщины.

Стандартные технические условия для несущих бетонных блоков, ASTM C90 (ссылка 1) является наиболее часто используемым стандартом для бетонных блоков. ASTM C90 включает минимальную толщину облицовки и стенки для различных размеров бетонных блоков, как указано в таблице 1. Общие размеры блока (ширина, высота и длина) могут изменяться на ± 3/8 дюйма.(3,2 мм) от указанных размеров. При необходимости блоки могут изготавливаться с более жесткими допусками, чем те, которые предусмотрены ASTM C90. ASTM C90 также определяет разницу между пустотелыми и массивными бетонными каменными блоками. Чистая площадь поперечного сечения твердого блока составляет не менее 75% от общей площади поперечного сечения.

В дополнение к указанным выше размерам блоков бетонный кирпич, соответствующий стандарту ASTM C1634, Стандартные технические условия для облицовочного бетонного кирпича (ссылка 2), доступен в широком диапазоне номинальной длины и высоты; обычно с номиналом 4 дюйма.(102 мм) ширина для облицовки. Бетонный кирпич может быть на 100% сплошным или полым, при условии, что площадь заполнителя кирпича не превышает 25% общей площади поперечного сечения.

Рисунок 1 — Номинальные и указанные размеры блока

Таблица 1 —– Минимальные требования к лицевой оболочке и полотну

ФОРМЫ УСТРОЙСТВА

Формы бетонных блоков были разработаны для широкого спектра применений.Некоторые общие конфигурации блоков показаны на Рисунке 2. Как правило, лицевые оболочки и перемычки имеют сужение на бетонных блоках из каменной кладки. В зависимости от литейных форм, используемых при изготовлении блоков, торцевые оболочки и перемычки могут иметь конусообразную форму с раструбом на одном конце или могут иметь прямой конус сверху вниз. Конус обеспечивает более широкую поверхность для раствора и упрощает работу каменщику.

Узлы с открытым концом позволяют навинчивать узлы на арматурные стержни. Это избавляет от необходимости поднимать элементы поверх арматурного стержня или продевать арматуру через сердечники кладки после того, как стена будет построена.Связующие балки в бетонных стенах из кирпичной кладки могут быть размещены либо путем распиловки части стенок из стандартного блока, либо с помощью блоков связующих балок. Блоки из клееных балок производятся либо с уменьшенными перемычками, либо с «выбивными» перемычками, которые удаляются перед размещением блока в стене. В эти агрегаты легко помещается арматура горизонтальной соединительной балки. Блоки перемычки похожи на блоки связующей балки, за исключением того, что нижняя часть блока твердая, чтобы удерживать раствор на перемычке. Перемычки доступны с различной глубиной, чтобы выдерживать соответствующие нагрузки перемычки над дверными и оконными проемами.Блок створки имеет вертикальный паз, сформованный на одном конце для размещения оконной створки. Блок створки может быть уложен таким образом, чтобы канавки находились рядом друг с другом для размещения предварительно отформованной прокладки управляющего соединения. Универсальный или пропиленный блок содержит две близкорасположенные перемычки в центре, а не обычную одиночную перемычку. Это позволяет легко разделить блок на строительной площадке, создав два блока длиной 8 дюймов (203 мм), которые обычно используются рядом с проемами, на концах или в углу стены.

На рис. 3 показаны блоки, разработанные для конкретных настенных применений.Блоки управляющих шарниров изготавливаются с одним охватываемым и одним охватывающим концом для передачи поперечной нагрузки через управляющие соединения. Устройства с выпуклым носом доступны с одинарным или двойным выпуклым носом для смягчения углов. Блоки экрана доступны во многих размерах и моделях (№ 4). Типичные области применения — внешние заборы, внутренние перегородки и проемы во внутренних бетонных стенах. Блоки со скошенным концом, образующие угол 45 ° с лицевой стороной блока, используются для формирования стен, пересекающихся под углом 135 °.Единицы в соседних рядах перекрываются, образуя непрерывный рисунок соединения в углу. Пилястры и колонны используются для легкого размещения стыка стена-колонна или стена-пилястра, обеспечивая пространство для вертикального армирования в центре полости.

Для повышения энергоэффективности разработаны различные блоки для кладки из бетона. Эти блоки, примеры которых показаны на рисунке 4, могут иметь уменьшенные площади перемычек для уменьшения теплового потока через полотна. Веб-области можно уменьшить, уменьшив высоту или толщину полотна, уменьшив количество полотен или и то, и другое.Кроме того, внутреннюю лицевую оболочку блока можно сделать толще, чем типичная лицевая оболочка, для увеличения аккумулирования тепла и, следовательно, для дальнейшего повышения энергоэффективности. Изоляционные вставки также могут быть включены в стандартные бетонные блоки для повышения энергоэффективности.

Акустические блоки (Рис. 5) подавляют звук, улучшая, таким образом, характеристики шумоподавления внутреннего пространства. Акустические блоки часто используются в школах, на промышленных предприятиях, церквях и в аналогичных помещениях, где требуется улучшенная внутренняя акустика.

Рисунок 2 — Типичные бетонные блоки

Рис. 3. Специальное подразделение Sapes

Рисунок 4 — Примеры блоков бетонной кладки, спроектированных для обеспечения энергоэффективности

Рисунок 5 — Примеры акустических бетонных блоков

ОТДЕЛКА ПОВЕРХНОСТИ

Окончательный вид бетонной стены из каменной кладки может варьироваться в зависимости от размера блоков, формы блоков, цвета блоков и раствора, рисунка склеивания и отделки поверхности блоков.Описанные выше бетонные блоки различной формы и размера часто доступны с различной отделкой поверхности. Некоторые поверхности формуются в блоки в процессе производства, а другие наносятся отдельно.
Для получения дополнительной информации об архитектурной отделке поверхностей см. TEK 2-3A «Архитектурные бетонные блоки для кладки» (ссылка 5).

ОБОЗНАЧЕНИЯ

A nw = нормализованная веб-область, дюйм. 2 / фут 2 (мм 2 / м 2 )
t fs = Минимальная толщина лицевой оболочки, дюймы (мм)
t w = Минимальная толщина стенки, дюймы (мм)
W = Номинальная ширина блока, мм (дюймы)

Список литературы

  1. Стандартные спецификации для несущих бетонных блоков, ASTM C90-16, ASTM International, 2016.
  2. Стандартные технические условия на облицовочный бетонный кирпич, ASTM C1634-15, ASTM International, 2015.
  3. Стандартные методы испытаний для отбора проб и испытаний бетонных блоков и связанных с ними блоков, ASTM C140 / C140M-16, ASTM International, 2016.
  4. Бетонные экраны из каменной кладки, TEK 3-16A, Национальная ассоциация бетонных каменщиков, 2016.
  5. Architectural Concrete Masonry Units, TEK 2-3B, Национальная ассоциация бетонных кладок, 2017.

NCMA TEK 02-01B, доработка 2017 г.

Заявление об ограничении ответственности: Несмотря на то, что прилагаемая информация была максимально точной и полной, NCMA не несет ответственности за ошибки или упущения, возникшие в результате использования данного TEK.

кирпичных блоков — размеры

каменных блоков — размеры

Engineering ToolBox — ресурсы, инструменты и базовая информация для проектирования и разработки технических приложений!

поиск — самый эффективный способ навигации по Engineering ToolBox!

Бетонные блоки для каменной кладки (CMU) — размеры

Типовые блоки для бетонных блоков — CMU — размеры

Стандартные блоки

9 Фактический размер

Номинальный размер
(дюймы)
4 x 8 x 16 3-5 / 8 x 7-5 / 8 x 15-5 / 8
6 x 8 x 16 5-5 / 8 x 7- 5/8 x 15-5 / 8
8 x 8 x 16 7-5 / 8 x 7-5 / 8 x 15-5 / 8
10 x 8 x 16 9- 5/8 x 7-5 / 8 x 15-5 / 8
12 x 8 x 16 11-5 / 8 x 7-5 / 8 x 15-5 / 8
Полублоки
Номинальный размер
(дюйм)
Фактический размер
(дюйм)
4 x 8 x 8 3-5 / 8 x 7-5 / 8 x 7- 5/8
6 х 8 х 8 5-5 / 8 x 7-5 / 8 x 7-5 / 8
8 x 8 x 8 7-5 / 8 x 7-5 / 8 x 7-5 / 8
12 x 8 x 8 11-5 / 8 x 7-5 / 8 x 7-5 / 8

Связанные темы

Связанные документы

Поиск по тегам

  • en: блок бетонных блоков CMU

Перевести эту страницу на

О Engineering ToolBox!

Мы не собираем информацию от наших пользователей.В нашем архиве хранятся только письма и ответы. Файлы cookie используются в браузере только для улучшения взаимодействия с пользователем.

Некоторые из наших калькуляторов и приложений позволяют сохранять данные приложений на локальном компьютере. Эти приложения — из-за ограничений браузера — будут отправлять данные между вашим браузером и нашим сервером. Мы не сохраняем эти данные.

Google использует файлы cookie для показа нашей рекламы и обработки статистики посетителей. Пожалуйста, прочтите Условия использования Google для получения дополнительной информации о том, как вы можете контролировать показ рекламы и собираемую информацию.

AddThis использует файлы cookie для обработки ссылок на социальные сети. Пожалуйста, прочтите AddThis Privacy для получения дополнительной информации.

Цитирование

Эту страницу можно цитировать как

  • Engineering ToolBox, (2010). Кладочные блоки — размеры . [онлайн] Доступно по адресу: https://www.engineeringtoolbox.com/concrete-masonry-blocks-d_1731.html [Accessed Day Mo. Year].

Изменить дату доступа.

. .

закрыть

Научный онлайн-калькулятор

6 25

.

Четырехмерные микростроительные блоки | Science Advances

Abstract

Четырехмерная (4D) печать основана на печати из нескольких материалов, армирующих узорах или добавках микро / нановолокон в качестве программируемых инструментов для достижения желаемых реконфигураций формы. Тем не менее, существующие подходы к программированию по-прежнему следуют так называемому принципу дизайна оригами для создания реконфигурируемых структур с помощью самосгибающихся двухмерных материалов, особенно в небольших масштабах. Здесь мы предлагаем программируемую модульную конструкцию, которая непосредственно создает трехмерные реконфигурируемые микроструктуры, способные выполнять сложные преобразования трехмерных форм в трехмерные путем сборки четырехмерных микростроительных блоков.Прямое лазерное письмо 4D используется для печати двухфотонно полимеризуемых, реагирующих на стимулы гидрогелей для создания строительных блоков в микрометровом масштабе. Параметры Денавита-Хартенберга (DH), используемые для определения кинематики манипулятора робота, представлены в качестве руководства по сборке микростроительных блоков и планированию трехмерного движения собранных блоков цепи. Наконец, с использованием параметров DH для управления движением различных собранных отсеков был разработан и изготовлен напечатанный на 3D-принтере микромасштабный трансформатор, способный изменять свою форму от гоночного автомобиля до робота-гуманоида.

ВВЕДЕНИЕ

Системы изменения формы были разработаны и используются в широких областях, включая камуфляж ( 1 ), мягкие роботизированные приводы ( 2 5 ), системы слежения за солнцем ( 6 ) и биомедицинские устройства ( 7 10 ), чтобы облегчить контроль и восприятие при взаимодействии между машинами и их средой. Самоформирование из двумерных (2D) материалов имеет стандартную парадигму при создании машин трехмерного морфинга с помощью вычислительных конструкций оригами.Самоформование — это особенно уникальный и эффективный метод при создании небольших станков, поскольку он не зависит от ручного процесса сборки, а изменение формы может осуществляться по беспроводной сети ( 11 17 ). Исследователи также реализовали программируемые преобразования формы в 2D-материалах путем введения волокнистых микро- и наноархитектур ( 18 , 19 ), усиления наночастиц ( 20 23 ) или неоднородного сшивания ( 24 , ). 25 ) в реагирующие на раздражители гели или полимеры с памятью формы.Хотя оригами в основном может отображать любые трехмерные формы на сложные двухмерные чертежи, оно визуализирует машины оригами либо с плохими несущими конструкциями, либо с упругими мягкими структурами с ограниченной нагрузочной способностью ( 26 29 ).

Последние достижения в области 3D-печати наделили машины для прямой печати с пространственно контролируемыми механическими свойствами ( 30 34 ). Сложные методы печати из нескольких материалов, которые сочетают в себе материалы, реагирующие на раздражители, с различными свойствами и микро / нанодобавками, были разработаны для обеспечения возможности программируемого изменения формы при 3D-печати ( 35 , 36 ).Однако существующие подходы к программированию унаследованы непосредственно от своих аналогов оригами. Таким образом, современные машины для 3D-морфинга по-прежнему создаются посредством 3D-печати в плоских 2D-самосгибающихся структурах ( 37 , 38 ). Отсутствие программируемой парадигмы проектирования, характерной для 3D-печати, можно объяснить заметно возросшей вычислительной сложностью прямых и обратных схем преобразования форм из 3D в 3D. Более того, анализ методом конечных элементов (FEA) ( 39 , 40 ), который долгое время был единственным инструментом, способным моделировать преобразования формы прямых 3D-печатных структур, является трудоемким процессом, особенно при анализе эволюции. сложной 3D-формы.Вычислительная нагрузка значительно возрастает по мере усложнения программируемых конструкций. Модульные конструкции в качестве альтернативы исследовались в реконфигурируемой робототехнике на протяжении десятилетий, чтобы обогатить морфологию, возможности и степени движения отдельных роботов ( 41 43 ). Было разработано несколько алгоритмов для автоматического создания проекта сборки и планирования движения в модульных роботах ( 44 ). Однако алгоритмы модульного проектирования вряд ли применимы к малоразмерным машинам из-за фундаментальных различий в конструкции, изготовлении и принципах срабатывания.

В этой работе мы предлагаем программируемую модульную конструкцию морфинга, вдохновленную модульной робототехникой ( 41 44 ) и LEGO-подобными строительными блоками ( 45 ), чтобы облегчить проектирование сложных 3D-в-3D. преобразования формы в микроструктурах, напечатанных на 3D-принтере. Прямая лазерная запись 4D (4D DLW) с субмикронным разрешением ( 46 ) используется для создания разнообразных микромасштабируемых строительных блоков с изменяющейся формой с использованием двухфотонного полимеризуемого гелевого предшественника, степень сшивки которого может модулироваться дозировкой лазера ( Инжир.1А). Пространственно и временно управляемая лазерная запись создает сети из полимеров с различными поперечными связями, которые жизненно важны для разработки направления и величины преобразования формы в ответ на внешние стимулы, таким образом наделяя строительные блоки активно деформирующимися слоями, жесткими слоями и эластичными шарнирными соединениями. Модульная конструкция может реконструировать большие и сложные преобразования формы континуума путем сборки крошечных реплицированных строительных блоков с небольшими и простыми дискретными деформациями.Каждый строительный блок можно рассматривать как двигатель с ограниченным вращением, так что сборка строительных блоков напоминает роботизированную руку, движение которой может быть зафиксировано прямой кинематикой с использованием параметров Денавита-Хартенберга (DH). Параметры DH также дают нам рекомендации по сборке строительных блоков в 3D и планированию их движения в 3D. Метод FEA вводится для количественного изучения деформации каждого вида воспроизводимых строительных блоков. Этот анализ хорошо согласуется с экспериментальными результатами.Как только мы получаем контроль над отдельными строительными блоками с помощью FEA, параметры DH используются в качестве руководящих принципов проектирования для сборки различных строительных блоков и программирования трехмерного движения каждой собранной секции для обеспечения сложных преобразований из трехмерного изображения в трехмерное, что значительно снижает вычислительную нагрузку. .

Рис. 1 Пространственное и временное управление при прямой лазерной записи для обеспечения пространственно-контролируемых дифференциально сшитых полимерных сетей.

( A ) Схема процесса печати с использованием системы DLW.Цветовая шкала мощности лазера (LP) колеблется от 10 до 40 мВт. ( B ) Механические характеристики печатного материала с изменяющейся мощностью лазера, в которых σ обозначает номинальное напряжение сжатия, а λ — соответствующий коэффициент растяжения. ( C ) Влияние мощности лазера на плотность сшивки Nv и параметр взаимодействия Флори (χ). ( D ) Цветочная микроструктура с запрограммированной чувствительностью для демонстрации контролируемой деформации. Внешние (пассивные) слои всех лепестков были напечатаны с мощностью лазера 40 мВт и скоростью сканирования 8 мм / с; внутренний (активный) слой каждого лепестка был напечатан с той же скоростью, но с постепенно увеличивающейся мощностью лазера.После полного обезвоживания трансформированные лепестки демонстрировали такую ​​же кривизну изгиба, как и предсказанные методом FEA. Масштабная линейка 40 мкм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

МКЭ для четырехмерных строительных блоков

В отличие от трехмерной печати, четырехмерная печать в значительной степени полагается на математику для решения сложных прямых и обратных задач. Успех 4D-печати зависит от того, насколько точны вычислительные модели по сравнению с экспериментальными результатами. Как правило, точный FEA требует большой вычислительной нагрузки, и расхождение становится критической проблемой, когда моделируемая трехмерная модель становится более сложной.Чтобы решить эту проблему, мы предлагаем модульную конструкцию, в которой большую и сложную трехмерную структуру и ее преобразование формы можно реконструировать с помощью небольших дискретных строительных блоков. Эти строительные блоки следуют параметрам DH, которые определяют прямую и обратную кинематику собранных цепных блоков. Затем вводится метод FEA для изучения деформации каждого реплицированного строительного блока.

Здесь мы проводим МКЭ на основе теории Флори ( 47 ), в которой нам нужно только охарактеризовать механические свойства геля, полимеризованного с различной мощностью лазера в полностью набухшем состоянии.Другие свойства материала, такие как плотность сшивки и параметр взаимодействия Флори, наряду с эволюцией формы при изменении условий окружающей среды, могут быть впоследствии получены с помощью теории Флори. Сначала мы охарактеризуем соотношение напряжения и деформации полимеризованных гелей в зависимости от мощности лазера с помощью группы микромеханических испытаний на сжатие in situ (см. Раздел S1 и рис. S1). Этот тест проводился в щелочном растворе с pH ≈ 9, в котором образцы были полностью набухшими.На рис. 1В показана зависимость номинального напряжения сжатия от степени растяжения образцов геля с различными параметрами фотоотверждения. Наклон подобранных кривых напрямую связан с мощностью лазера, принятой во время фотополимеризации. Следуя работе Hong et al. ( 47 ), номинальное напряжение может быть выражено частной производной функции свободной энергии с поправками на преобразование Лежандра относительно градиента деформации, которая дает следующее (см. Разделы S2 и S3 для более подробной информации) vσijkT = Nv ( Fij − Hij) + [Jln (1−1J) + 1 + χJ − μkTJ] Hij (1) где σ ij — номинальное напряжение; F ij представляет градиент деформации; J = det F = λ 1 λ 2 λ 3 = 1 + vC — инвариант градиента деформации, где λ 1 , λ 2 и λ 3 обозначают растяжение полимера в трех основных направлениях соответственно; C — концентрация молекул растворителя; v — объем на молекулу; μ — химический потенциал; и H ij представляет собой обратное транспонирование градиента деформации.Здесь χ — параметр взаимодействия Флори, обозначающий степень смешения растворителя и полимера, величина которой зависит от температуры и концентрации полимера. Чтобы устранить сингулярность свободной энергии в формуле. 1, мы назначаем в качестве эталона состояние свободного набухания, а не сухое состояние. Таким образом, мы можем разумно предположить, что химический потенциал (μ) растворителя равен нулю, и уравнение. 1 можно вывести как Nv (λ0λ1′ − 1λ0λ1 ′) + λ02λ2′2ln (1−1λ03λ1′λ2 ′) + 1λ0λ1 ′ + Nv (λ02−1) + λ03ln (1−1λ03) + 1λ04λ1′2λ2′2 = λ02σ M (2) с M = kT / v и λ2′2 = λ1′2 − σ′λ0λ1 ′ / MNv, где λ 0 — растяжение, вызванное свободным набуханием.Для изотропной деформации со свободным набуханием имеем λ 1 = λ 2 = λ 3 = λ 0 . Уравнение 2 представляет внутреннюю взаимосвязь между номинальным напряжением и растяжением, где переменные σ и λ1′ могут быть определены экспериментально из испытания на одноосное сжатие (рис. 1B). Впоследствии мы установили произведение N и v как безразмерный параметр Nv , который характеризует плотность сшивки геля.Мы обнаруживаем, что есть только два неизвестных параметра, Nv и λ 0 , в уравнении. 2, значения которого при различных параметрах отверждения можно оценить, подбирая уравнение. 2 с экспериментальными данными, полученными при испытаниях на одноосное сжатие. На рисунке 1С представлены безразмерный параметр Nv и параметр взаимодействия Флори χ в зависимости от мощности лазера, изменяющейся от 20 до 40 мВт с постоянной скоростью сканирования. Nv неуклонно увеличивается и постепенно выходит на плато по мере приближения мощности лазера к ~ 30 мВт, что указывает на то, что гель полностью полимеризован и его плотность сшивания в конечном итоге становится постоянной.Точно так же параметр взаимодействия Флори χ постепенно увеличивается с увеличением мощности лазера и становится инвариантным, когда мощность лазера превышает 30 мВт. Это также означает, что взаимодействие при перемешивании между растворителем и полимером постепенно становится стабильным.

После получения характеристик материала мы провели моделирование методом конечных элементов на основе коммерческого программного обеспечения Abaqus (Abaqus / CAE 2016, Dassault Systèmes S.A., Франция), чтобы спрогнозировать эволюцию формы 3D-печатных структур с различным химическим потенциалом.Мы использовали формулу. 1 для описания деформации гелей в растворителях с разными химическими потенциалами. Nv и χ с различной мощностью лазера были импортированы в моделирование для определения механических свойств гелей. Чтобы проверить точность нашего предсказания методом конечных элементов морфинга формы печатных структур, был спроектирован микроцветок, состоящий из 10 двухслойных лепестков (рис. 1D), каждый из которых был закодирован с помощью различных дозировок лазера для обеспечения различной кривизны морфинга. и протестирован в различных средах на разбухание и усадку.Печатная структура осталась неизменной при набухании в щелочном растворе, хотя в кислотном растворе она значительно уменьшилась. Таким образом, усадка в кислотном растворе является доминирующей движущей силой, используемой в этой работе для деформации печатных строительных блоков. Кроме того, предлагаемый FEA может даже захватывать форму, когда он полностью обезвоживается на воздухе (рис. 1D). В следующих разделах мы сосредоточимся на деформации печатных структур, вызванной усадкой при снижении значений pH окружающей среды.

Стратегии конструирования строительных блоков

Представьте себе, что произвольная трехмерная структура представлена ​​как модульная конструкция, созданная путем сборки множества реплицированных трехмерных печатных строительных блоков, подобных LEGO. Следуя этой концепции, мы можем представить реконфигурируемую архитектуру как модульную трансформируемую систему, состоящую из различных деформируемых строительных блоков 4D (рис. 2A). Строительные блоки 4D можно просто рассматривать как кубическую ячейку с двухслойной конфигурацией, включающей активный и пассивный материал.Гетеродислойная конфигурация изгибается в направлении активного слоя по мере усадки активного материала. Чтобы еще больше улучшить деформируемость и программируемость строительных блоков 4D, мы представляем шарнирный механизм, основанный на неоднородности сверхвысокой точности 4D DLW. Сочлененные микро-строительные блоки состоят из нескольких тонких двухслойных слоев, состоящих из активного и пассивного слоев, податливых петель и жестких опор в едином строительном блоке. Податливые соединения облегчают деформацию, вызываемую активными слоями, и увеличивают степень свободы преобразования.На рис. 2В показана расчетная кривизна изгиба обычных четырехмерных строительных блоков и шарнирных четырехмерных строительных блоков с различным соотношением толщин ( м ) между их активным и пассивным слоями. Кривизна изгиба шарнирного соединения как минимум в два раза больше, чем у обычного (см. Раздел S3). На рисунке 2C также показано, что кривизну изгиба шарнирных микростроительных блоков можно точно настроить, изменяя их соотношение гибкости (b , ширина к высоте) и мощность лазера на активном слое (фиг.S2 и S3). Благодаря пространственно и временно контролируемой плотности сшивки в печатном материале, степени свободы преобразования шарнирных строительных блоков могут быть дополнительно увеличены путем изменения пространственного расположения активных и пассивных слоев, а также шарнирных соединений. Несколько вариантов шарнирных строительных блоков показаны на рис. 2D, показывая, что наличие шарнирных соединений может привести к совершенно другой форме.

Инжир.2 Эволюция 3D-печатных строительных блоков.

( A ) Микростроительные блоки 4D эволюционируют от обычных статических строительных блоков, напечатанных на 3D-принтере, до деформируемых строительных блоков и далее в шарнирные строительные блоки благодаря развитию активных материалов и методов микрообработки. Усадка активного слоя в основном вызывает деформацию при снижении pH растворителя, что заставляет двухслойные структуры изгибаться в сторону активного слоя. ( B ) Влияние отношения толщины между активным слоем и пассивным слоем ( м ) на кривизну изгиба (κ), что указывает на то, что шарнирные строительные блоки деформируются больше, чем обычные двухслойные строительные блоки.( C ) Кривизна изгиба шарнирных строительных блоков точно настраивается путем изменения коэффициента гибкости ( b ′) между шириной и высотой блоков и параметров лазера между активным и пассивным слоями. ( D ) Различные моделируемые режимы преобразования формы шарнирных строительных блоков путем изменения пространственного расположения двухслойных механизмов и податливых шарнирных соединений.

Правила сборки и планирования движения модульной системы

Принимая во внимание общую жесткость конструкции, свободу сборки и программируемость четырехмерных микростроительных блоков, мы также представляем восьмиугольный призматический микроцилиндр в качестве основных строительных блоков для создания более крупных и многого другого. сложная морфируемая модульная система, которая следует принципу суперпозиции.На виде сбоку на фиг. 3A мы можем видеть, что восьмиугольный призматический строительный блок состоит из пары активных слоев и шарнирных соединений, а также трех пар пассивных слоев. Его трехмерную конфигурацию можно рассматривать как выдавливание вида сбоку в нормальном направлении. Деформация одного призматического строительного блока также моделируется методом FEA. Усадка строительного блока вызывает вращательное движение в собранных цепных блоках, как показано на фиг. 3B. Каждый строительный блок можно рассматривать как поворотное соединение, соединяющееся с другим звеном (опорой).Сборка нескольких строительных блоков напоминает роботизированную руку для создания желаемых трехмерных движений. Движение собранных цепей с ограниченным количеством строительных блоков также может быть хорошо оценено методом FEA, что хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Однако FEA не может уловить сложное движение, вызванное сборкой большого количества ( n > 60) строительных блоков, поскольку численные результаты имеют тенденцию к расхождению. Чтобы решить эту проблему, мы вводим параметры DH, которые используются для расчета преобразований формы роботизированной руки, состоящей из нескольких шарниров и жестких стержней.Параметры DH следуют принципу суперпозиции и описывают любые сложные преобразования только с четырьмя физическими параметрами в закрытой аналитической форме ( 48 , 49 ). Уравнения кинематики для последовательной цепи модульной системы получаются с использованием преобразования [ Z ] для характеристики относительного перемещения, разрешенного в каждом соединении, и отдельного преобразования [ X ] для определения размеров каждого звена. Результатом является последовательность преобразований, которые чередуют преобразования суставов и звеньев от основания цепи к ее конечному звену, которое приравнивается к указанной позиции для конечного звена [T] = [Z1] [X1] [Z2] [X2] ] ⋯ [Zn-1] [Xn-1] (3) где T — преобразование, определяющее конечное звено последнего строительного блока.Это соглашение позиционирует соединительную раму таким образом, чтобы она состояла из винтового смещения по оси Z [Zi] = Transzi (di) Rotzi (θzi) (4), и позиционирует соединительную раму таким образом, чтобы она состояла из винтового смещения вдоль ось X [Xi] = Transxi (Ri, i + 1) Rotxi (αi, i + 1) (5), где θ z i , d i , R i и α i , i + 1 известны как параметры DH (см. Раздел S4).Эти параметры могут быть реализованы в нашей модульной системе морфинга. Они определяют правила сборки и планирования движения строительных блоков, показанных на рис. 3 (от B до E). На рис. 3 (B и C) показано смоделированное вращательное движение пяти собранных строительных блоков, закодированных с различными θ z и R . Эти строительные блоки соединены друг с другом с помощью жесткого стержня, чтобы избежать взаимодействия деформаций между каждым строительным блоком, обеспечивая справедливость принципа суперпозиции.Амплитуда и ориентация каждого строительного блока, вращающегося вокруг оси Z , определяются (θ z i ) и могут контролироваться путем изменения плотности мощности лазера и пространственного расположения внутренних активных слоев соответственно. На рисунке 3D показан каждый строительный блок, собранный со смещениями ( d i ) вдоль противоположной оси Z. Таким образом, рис. 3, B и D вместе представляют смещение винта вдоль оси Z , напоминая формулу.4, в то время как смещение другого винта по оси X реализовано в сочетании фиг. 3, C и E. На фиг. 3C показано, что соединение вращательных соединений с неактивными строительными блоками может увеличить радиус вращения ( R i , i + 1 ) по оси X . Между тем, на рис. 3E показаны строительные блоки, собранные с углами (α i , i + 1 ), вращающимися вокруг оси X , измеренной от предыдущей оси Z до новой оси Z .Эти четыре параметра вместе определяют правила трехмерного преобразования и сборки предлагаемых модульных систем.

Рис. 3 Принцип построения и правила сборки модульной системы с помощью моделирования методом конечных элементов.

( A ) Схема и расчетная геометрия шарнирных строительных блоков, основная структура которых представляет собой восьмиугольный призматический полый цилиндр, состоящий из пар активных слоев, пассивных слоев и шарнирных соединений. ( B ) Вращательная деформация, вызванная усадкой активных слоев.Каждый строительный блок можно рассматривать как комбинацию вращающегося шарнира и жесткого стержня, напоминающего манипулятор робота. ( C E ) Схемы вращательных движений с контролируемой амплитудой и ориентацией, обеспечиваемые сборкой различных предварительно запрограммированных строительных блоков. (B), (C), (D) и (E) определяют, как четыре параметра DH θ, R , d и α реализуются в наших модульных строительных блоках соответственно. FEA предоставляет средства для количественной сборки сложной модульной системы.

Обратная и прямая конструкция модульных систем

Если задана произвольная трехмерная форма в качестве цели, мы можем преобразовать ее в дискретный аналог, состоящий из конечного числа соединений. Затем мы можем получить параметры DH с помощью обратной кинематики и построить преобразование формы между целевым и изначально собранными строительными блоками с помощью уравнения. 3 (см. Рис. 4A, рис. S5 и раздел S4 для получения более подробной информации). Например, рассмотрите форму волны как целевую форму и первоначально собранную конструкцию в форме рулона.Параметры DH позволяют найти преобразование между формой волны и формой валка. Здесь θ z — единственный переменный параметр, связывающий волну и качение, и мы кодируем этот параметр в рулоне, чтобы он трансформировался из формы рулона в форму волны. Очень важно, чтобы количество дискретных стыков цели было таким же, как количество строительных блоков в собранной конструкции. На рисунке 4B показаны экспериментальные результаты с геометрически идентичными плоскими полосами, которые состоят из 60 строительных блоков, закодированных с различными θ z , d и R , которые могут трансформироваться в различные целевые формы, а именно соты, рулоны и волна [см. рис.4B (с I по III) и фильмы с S1 по S6]. Их обратные параметры (θ z ) представлены в таблицах S1 и S2.

Рис. 4 Обратный и прямой дизайн морфируемых модульных систем.

( A ) Нахождение обратной задачи для программирования структуры, которая принимает желаемую форму. Учитывая произвольную форму, такую ​​как волна, модульная конструкция преобразует ее в дискретный аналог с конечным числом соединений, а затем получает параметры DH. Модульная система затем создает преобразование формы между заданной формой волны и конфигурацией собранного валка путем кодирования перевернутого θ z в валок, чтобы он трансформировался в форму волны.На изображении обратной конструкции рулона, закодированного разными цветами, сплошные кружки указывают, что θ z является положительным, а полые кружки указывают, что θ z отрицательно. ( B ) Оптические изображения собранных строительных блоков, закодированные с различными параметрами DH.

Как правило, обратная конструкция может быть изменена на прямую. Однако в случае с очками обратная сторона обратной конструкции отличается от ее передней конструкции.Обратите внимание, что если на пути преобразования формы происходит столкновение, то прямая кинематика не может зафиксировать преобразование. Мы показываем, что плоская полоса, состоящая из всех строительных блоков, закодированных с одним и тем же θ z , также может трансформироваться в форму очков, в которых создаются два круга с одинаковой кривизной, без обратной схемы (рис. 4B, IV). На рис. 4B (V и VI) показаны экспериментальные результаты смещения винта вдоль оси Z с изменением d i и θ z в каждом строительном блоке, которые могут быть зафиксированы уравнением.4. Добавив в сборку постоянное смещение оси Z ( d i ), очки можно преобразовать в спиралевидные, а форма рулона станет спиральной.

Используя три параметра ( R , d и θ z ), как показано на рисунке 4, мы получаем контроль над прямой и обратной задачами относительно простых модульных структур (1D и 2D сборка и одиночная свобода вращения). Кроме того, назначая четвертый параметр α для включения трехмерной сборки, мы можем создавать сложные трехмерные структуры, закодированные с помощью более сложных преобразований трехмерной формы в трехмерную.Следуя конструктивному принципу прямой кинематики, представленному на рис. 3, мы дополнительно разработали преобразователь в масштабе микрометра путем трехмерной сборки и трехмерного планирования движения четырехмерных строительных блоков (рис. 5A) и напечатали его с помощью 4D DLW (рис. 5B). ). Разработаны пять основных функциональных частей, включая шею (I), плечо (II), руки (III), позвоночник (IV) и ноги (V), и их соединения описаны на рис. 5C. Преобразования каждого отсека можно зафиксировать отдельно с помощью ряда параметров DH, показанных на рис.5D. Мы выбрали этот преобразователь в качестве демонстрации, потому что он использует комбинацию нескольких уникальных преобразований, чтобы понять изменение формы между гоночным автомобилем и гуманоидным роботом (рис. 5E).

Рис. 5 Трехмерная сборка четырехмерных строительных блоков для построения трансформатора микрометрового масштаба.

( A ) Компьютерная модель микромасштабного гоночного автомобиля в соответствии с предлагаемым правилом сборки. Розовый цвет обозначает жесткие и недеформируемые компоненты.( B ) 4D DLW проектирование и изготовление сконструированного гоночного автомобиля. ( C ) Подробное описание соединений пяти основных частей: шеи, плеч, рук, позвоночника и ног. ( D ) Запрограммированная деформация каждого отсека, закодированная с определенными параметрами DH. ( E ) Последовательные оптические изображения, показывающие процесс преобразования формы из 3D в 3D микромасштабного преобразователя из гоночного автомобиля в робота-гуманоида. Синяя стрелка обозначает направление диффузии потока кислой жидкости.

Насколько нам известно, это первый раз, когда был создан трансформатор, который автоматически меняет свою форму и встает в таком маленьком масштабе (см. Фильм S7).Однако одна из основных проблем при проектировании трансформатора — обеспечить одновременное преобразование каждого компонента. Особенно важно иметь рациональный дизайн, чтобы каждый компонент не мешал другим, чтобы обеспечить желаемое преобразование формы. По этой причине микромасштабный трансформатор, показанный на рис. 5, выглядит слишком упрощенным по сравнению с его крупномасштабными аналогами. Реальные 4D-напечатанные структуры, в которых измерение времени также может быть закодировано во время печати, в значительной степени облегчили бы реконфигурируемые конструкции в виде различных отсеков, которые могут последовательно преобразовываться в желаемом порядке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы предложили программируемую модульную конструкцию, основанную на сборке микростроительных блоков 4D, чтобы облегчить сложные прямые и обратные задачи 4D печати. Модульная конструкция позволяет реконструировать большие и сложные трехмерные структуры и преобразовывать их формы с помощью трехмерной сборки реплицированных четырехмерных строительных блоков, закодированных с небольшими дискретными деформациями. Прямая кинематика и параметры DH используются для предоставления рекомендаций по сборке и фиксации преобразований формы.FEA прогнозирует изменение формы каждого строительного блока без учета всей конструкции. Это заметно снижает вычислительную сложность. Мы продемонстрировали, что микромасштабный трансформатор, способный к сложным трехмерным преобразованиям формы, может быть разработан и изготовлен с использованием четырех параметров DH и одноэтапного изготовления DLW в фотореактивных гидрогелях. Мы ожидаем, что предлагаемая модульная конструкция, которая напоминает прямую и обратную кинематику манипулятора робота, проложит путь к упрощению проектирования сложной прямой 4D-печати.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез прекурсоров геля

В типичной процедуре N -изопропилакриламид (NIPAAm; 98%) и акриловая кислота (AAc; 99%) служили в качестве функциональных мономеров геля, реагирующего на раздражители, и добавляли к раствору этиллактата (EL; 98%) и интенсивно перемешивали в течение 30 мин. Поливинилпирролидон (ПВП; средняя молекулярная масса ~ 1300000) был добавлен для регулирования вязкости фоторезиста, чтобы предотвратить структурный коллапс и сдвиг во время создания сложных трехмерных архитектур.После полного растворения вышеуказанный раствор, дипентаэритритпентаакрилат (DPEPA; 98%) сшивающий агент, триэтаноламин (TEA; 99%) фотосенсибилизатор и 4,4′-бис (диэтиламино) бензофенон (EMK; 97%) / N , N Раствор фотоинициатора -диметилформамида (ДМФ; 99,5%) (20 мас.%) Смешивали и перемешивали в течение 2 часов с получением гомогенного и прозрачного предшественника геля. Перед использованием фоторезист хранили в условиях, свободных от окружающего ультрафиолетового света. NIPAAm, AAc, EL, PVP, DMF и TEA были закуплены у Aladdin Chemicals.EMK был получен от Reading Chemical Technology (Shanghai) Co. Ltd. DPEPA был предоставлен American Barki Chemical Inc. Все химические вещества использовались без дополнительной очистки.

Процедуры 4D μ-печати

Перед печатью квадратную подложку из боросиликатного стекла (22 мм на 22 мм, толщиной от 0,13 до 0,17 мм; Thermo Fisher Scientific Inc.) очищали ацетоном, изопропиловым спиртом (IPA) и деионизировали. водой и сушили в атмосфере азота перед тем, как поместить в печь при 120 ° C на 20 мин.После охлаждения до комнатной температуры поверхность была модифицирована с помощью кислородной плазмы для получения напечатанной микроструктуры с хорошей адгезией. Предшественник геля капали на предметное стекло, на котором микроструктура была напечатана с помощью имеющейся в продаже системы трехмерной лазерной литографии (Photonic Professional GT, Nanoscribe GmbH) с масляно-иммерсионным объективом с числовой апертурой (NA) 63 × 1,4. Во время изготовления мощность лазера (от 0 до 50 мВт) с длиной волны 780 нм и скоростью сканирования (от 0 до 100 мм / с) были запрограммированы для сшивания материалов с различной плотностью.После печати образцы проявляли IPA в течение 30 минут и дважды промывали свежим IPA с последующим погружением в сверхчистую воду.

FEA и компьютерное проектирование

Мы провели FEA для моделирования реакции микроструктур, напечатанных на четырехмерной печати, на различные стимулы, как указано в основном тексте. Вкратце, мы построили трехмерные модели этих микроструктур и сгенерировали сетки конечных элементов с типом элемента C3D8H (восьмиузловой линейный кирпич, гибридный) с помощью программного обеспечения Abaqus (Dassault Systèmes S.A., Франция) для проведения анализа с помощью численного моделирования. Мы использовали теоретическую модель Хонга и соавторов ( 47 ), чтобы охарактеризовать деформацию гелевых материалов в различных растворителях с химическим потенциалом, в которой параметры Nv и χ были определены с помощью экспериментально подобранных кривых данных, как показано на рис. 1С. На практике мы ввели в Abaqus определяемую пользователем подпрограмму гиперупругих материалов (UHYPER) для определения механических свойств микроструктур на основе геля при различных дозах воздействия и предположили, что безразмерные параметры представляют собой нулевой химический потенциал.Во всех численных моделированиях мы игнорировали влияние силы тяжести, потому что плотность геля в набухшем состоянии была очень близка к плотности воды или других растворов, которые мы использовали в экспериментах. Точно так же мы выполнили компьютерный дизайн на основе FEA, чтобы охарактеризовать морфологические изменения микроструктур перед печатью. Варьируя μ, мы можем моделировать изменение формы при различных значениях pH. Как упоминалось ранее, мы указали μ = 0, когда печатные структуры находятся в полностью набухшем состоянии и pH ≈ 9.Сравнивая результаты FEA с экспериментами, мы получили, что μ = — 2, когда печатные структуры находятся в полностью усадочном состоянии (в кислотных растворителях с pH ≈ 6).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/3/eaav8219/DC1

Раздел S1. Испытания на набухание, усадку и механические свойства печатных материалов

Раздел S2. Теоретическое моделирование и определение параметров

Раздел S3.Сравнение деформации обычных и шарнирных строительных блоков

Раздел S4. Обратная конструкция

Рис. S1. Характеристика набухания, усадки и механических свойств гелевых материалов.

Рис. S2. Схематические кривизны различных стратегий 4D-печати и геометрических размеров.

Рис. S3. Концепции дизайна и формы деформации двух стратегий 4D-печати.

Рис. S4. Сравнение экспериментальных результатов спиральных строительных блоков и моделирования методом конечных элементов.

Рис. S5. Обратный дизайн на основе микростроительных блоков 4D.

Таблица S1. Параметры угла поворота при преобразовании сот в волну.

Таблица S2. Параметры угла поворота спирально-волнового преобразования.

Фильм S1. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в сотовые формы.

Фильм S2. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в формы рулона.

Фильм S3. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в формы волн.

Фильм S4. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в формы очков.

Фильм S5. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в спиральные формы.

Фильм S6. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в спиральные формы.

Фильм S7. Трансформатор собран из 4D микростроительных блоков.

Ссылки ( 50 52 )

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons с указанием авторства, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что в результате используется , а не для коммерческой выгоды и при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Благодарности: Мы благодарим Q.W. Чао и С. Lv за их проницательные комментарии и предложения по редактированию этой статьи. Мы также благодарим W. Cui из Nanoscribe GmbH (Китай) и F. Qiu из FemtoTools AG за техническую поддержку. Финансирование: Эта работа была поддержана при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая в рамках гранта №№.

201, 11988102, 11521202, 11702003, 11802004 и 11872004; Пекинским фондом естественных наук в рамках гранта № L172002; и Гонконгским советом по исследовательским грантам (RGC) в рамках гранта №JLFS / E-402/18. Вклад авторов: T.-Y.H., H.-W.H. и H.L.D. задумал идею и разработал исследование. T.-Y.H. и H.L.D. построили экспериментальную площадку. T.-Y.H., D.D.J. и Q.Y.C. разработал 4D μ-печать, основанную на прямом лазерном письме. T.-Y.H., H.-W.H., Q.Y.C., D.D.J. и L.Z. провели исследование и проанализировали данные. Q.Y.C. и J.Y.H. сформулирована и реализована вычислительная модель. H.-W.H., T.-Y.H. и H.L.D. написал статью при участии всех авторов. Конкурирующие интересы: T.-Y.H., H.L.D. и D.D.J. являются изобретателями по заявке на патент, связанной с этой работой, поданной Пекинским университетом (CN201810153284.6, поданной 14 февраля 2018 г.). T.-Y.H. и H.L.D. являются изобретателями по патенту, связанному с этой работой, поданному Пекинским университетом (201810151527.2, подана 14 февраля 2018 г.). Авторы заявляют об отсутствии другого конфликта интересов. Доступность данных и материалов : Все данные, необходимые для оценки выводов в документе, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

  • Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Как построить стену из бетонных блоков

В жилищном и коммерческом строительстве широко используется бетонный строительный материал, официально известный как бетонная кладка (CMU).Эти пустотные блоки могут быть изготовлены из стандартного бетона с традиционным песчано-гравийным заполнителем, скрепленным портландцементом. Или они могут заменить песчано-гравийный заполнитель более легкими промышленными отходами, такими как летучая зола или угольные шлакоблоки, и в этом случае они обычно известны как шлакоблок .

CMU находят множество применений в строительстве, от использования в фундаментных стенах для поддержки каркасной конструкции, до открытых внешних стен зданий, отдельно стоящих ландшафтных стен и подпорных стен.

Типы CMU

Бетонные блоки и шлакоблоки бывают разных размеров и форм для различных областей применения. Общие размеры и формы бетонных блоков включают:

Типоразмеры

  • 4 х 8 х 8
  • 4 х 8 х 16
  • 6 х 8 х 8
  • 6 х 8 х 16
  • 8 х 9
  • 8 х 8 х 16
  • 10 х 8 х 8
  • 10 х 8 х 16
  • 12 х 8 х 8
  • 12 х 8 х 16

Фактические размеры бетонных блоков немного меньше номинальных, примерно на 3/8 дюйма в каждом измерении.Это необходимо для учета толщины швов раствора между блоками.

Формы

Бетонный блок также бывает разных форм. Наиболее распространены:

  • Носилки — имеет фланцевые удлинители на обоих концах. Используется в середине стен, где оба конца закрыты примыкающими блоками.
  • Одинарный угловой элемент — имеет один квадратный конец. Используется на концах стен, где обнажается конец блока.
  • Двойной угловой элемент — имеет два прямоугольных конца. Часто используется, когда блоки штабелируются для создания вертикальных столбов.
  • Створки — имеют прорези на плоских концах; они используются вокруг оконных и дверных проемов, чтобы обеспечить пространство для расширения.
  • Заглушки — тонкий прочный бетонный блок, используемый для закрытия открытых полостей в верхней части стены из бетонных блоков.

Несколько других форм также доступны для специальных применений, такие как блоки с выпуклым носиком с одним закругленным концом, блоки косяка с углублением для оконных и дверных косяков, перегородочные блоки, используемые для изготовления внутренних перегородок, и блоки перемычек, используемые для изготовления окон и дверей. заголовки.

Есть также архитектурных блоков , которые имеют фактурные грани, предназначенные для декоративного использования.

Анатомия стены из бетонных блоков

Практически все стены, построенные с использованием блоков CMU, имеют одни и те же элементы, хотя применение этих элементов может значительно варьироваться в зависимости от размера, формы и использования стены.

  • Фонд . Все стены из бетонных блоков должны опираться на прочный фундамент из заливного бетона.Глубина и размер фундамента будут варьироваться в зависимости от размера стены из бетонных блоков и веса, который она должна выдерживать, но для типичной отдельно стоящей стены требуется фундамент, который примерно в два раза шире самой стены и простирается примерно на 1 фут вниз. ниже линии мороза.
  • Бетонный блок. Формы и размеры блоков выбираются в соответствии с функцией стены и ее конфигурацией. В большинстве стен из цементных блоков используются блоки нескольких различных типов, особенно подрамники и угловые элементы.
  • Растворы . Каждый ряд блоков соединяется с соседними блоками с помощью раствора типа N (выше уровня) или типа S (ниже уровня). Для большей прочности большинство стен из бетонных блоков собирают таким образом, чтобы вертикальные швы были смещены (расположены в шахматном порядке) от одного ряда к другому.
  • Армирование. Отдельно стоящие блочные стены могут подвергаться нагрузкам, которые могут привести к растрескиванию стыков и разрушению стен, поэтому обычно применяется как вертикальное, так и горизонтальное армирование. Вертикальное армирование обеспечивается отрезками стальной арматуры, залитой во влажный бетон, который заливается в полости блока через заданные интервалы.Горизонтальное армирование обеспечивается полосами металлической арматуры, закладываемыми во влажный раствор после каждого третьего или четвертого хода блока.

Большинство стен из бетонных блоков представляют собой одинарных стен, а — это означает, что они построены из рядов блоков одной ширины, уложенных друг на друга. Если требуется большая прочность конструкции, вы можете построить двухслойные стены , в которых два ряда блоков уложены вместе.

Инструменты и расходные материалы, которые вам понадобятся

  • Инструменты для земляных работ (лопаты и т. Д.))
  • Формы фонда, при необходимости
  • Стринги масона
  • Ставки
  • Линейный уровень
  • Отвес
  • Бетонные блоки или шлакоблоки
  • Уровень плотника
  • Рабочие перчатки
  • Бетонная смесь
  • Тачка или бетономешалка
  • Мотыга для каменной кладки
  • Миномет
  • Мастерок каменщика
  • Фуговальный инструмент
  • Пила для кирпича
  • Долото по камню
  • Молоток для каменной кладки

Создать макет

Первый шаг в строительстве стены из бетонных блоков — это заложить фундамент с помощью кольев и кладки.Для отдельно стоящей ландшафтной стены это предполагает создание простого прямоугольного контура планируемого фундамента. Для фундамента здания требуется прямоугольный контур всего здания, тщательно подогнанный так, чтобы он был идеально квадратным.

После выравнивания струн разметки линейным уровнем перенесите положение фундамента на землю перед началом земляных работ.

Экскаватор

Следующим шагом будет выкопать землю под фундамент.Работа, проводимая здесь, может значительно варьироваться в зависимости от требуемого размера фундамента и обстоятельств. Если вы строите небольшую ландшафтную стену в теплом климате, это может быть связано с простым копанием вручную с помощью лопаты. Для фундамента здания или в холодном климате, требующем глубокого промерзания фундамента, земляные работы могут быть серьезным мероприятием, требующим землеройного оборудования. В любом случае цель состоит в том, чтобы создать траншею с плоским дном для заливки бетонного фундамента для поддержки стены из цементных блоков.

Обязательно проконсультируйтесь с местными властями относительно необходимой глубины и размера фундамента для стены из цементных блоков, которую вы планируете. Любая стена высотой более 2 футов требует морозного основания, которое простирается на 8–12 дюймов ниже самого глубокого уровня зимних морозов в вашем регионе. Как правило, фундамент должен быть в два раза шире самой стены.

Залить фундамент

Бетонный фундамент, необходимый для поддержки стены из цементных блоков, обычно создается путем заливки бетона в полую форму, выстилающую стены траншеи, но бетон также можно просто залить в траншею — распространенный сценарий строительства отдельно стоящей ландшафтной стены. .В этом случае верх выемки иногда закрывают деревом, чтобы создать законченный вид. Обычно верх фундамента находится немного ниже уровня земли, так что фундамент будет скрыт, когда стена будет закончена.

Бетон для фундамента можно замешивать вручную в миксере или ящике для раствора, или его можно заказать у поставщиков готовой смеси и доставить на грузовике.

Верх залитого фундамента должен быть идеально ровным, но его не нужно растирать и затирать до идеально гладкой поверхности.Перед тем, как приступить к возведению стены, убедитесь, что фундамент полностью затвердел и затвердел.

Положить первый курс блока

После того, как залитый фундамент полностью затвердеет и затвердеет, наметьте контур стены из цементного блока на поверхности фундамента, используя меловую линию.

Смешайте соответствующий раствор в ящике для раствора, затем положите слой раствора толщиной 1 дюйм на фундамент внутри контура.

Поместите первый слой цементного блока в раствор и слегка постучите по блокам вниз, чтобы заделать их в раствор для фундамента.Начните стену с углового элемента, затем «смажьте» фланцы в конце каждого последующего блока раствором перед соединением его с предыдущим блоком.

Подсказка

Стремитесь к стыкам шириной 3/8 дюйма между блоками как по горизонтали, так и по вертикали. Это обеспечивает оптимальное количество силы.

По мере того, как вы спускаетесь по первому ряду, используйте уровень, чтобы отрегулировать блоки так, чтобы они были идеально вертикальными, и используйте колья и веревки, чтобы убедиться, что ряд блоков остается идеально прямым.На противоположном конце стены завершите ход еще одним угловым блоком.

Режущие блоки

Если вы планируете тщательно, вам может не понадобиться резать бетонные блоки, но если это необходимо, лучше всего это делать с помощью пилы с лезвием по камню, а также стамеской и молотком.

Надрежьте поверхность блока бензопилой, прорезав линию глубиной около 1/4 дюйма. Затем используйте стамеску и молоток, чтобы растолочь по линии с надрезами, пока блок не расколется по линии.Переверните блок и повторите процесс с противоположной стороны.

Непрофессиональные последующие курсы блока

Начните следующий ряд блоков с полублока, чтобы гарантировать, что вертикальные швы будут смещены по мере того, как вы будете двигаться вниз по ряду. Установите второй ряд таким же образом, как и первый — нанесите слой раствора поверх предыдущего ряда и намазывая маслом концы каждого блока, когда вы кладете его в раствор. Используйте шнур и уровень каменщика, чтобы почаще проверять каждый ряд блоков на уровень и прямолинейность.Излишки раствора можно слегка соскрести шпателем с поверхности блоков во время работы.

Подсказка

Для очень высоких стен лучше всего прокладывать не более шести рядов в день. Это позволит раствору полностью затвердеть и снизит вероятность разрушения стены. Избегайте чрезмерной нагрузки на швы, пока раствор не затвердел полностью.

Добавить арматуру

По мере того, как вы поднимаетесь вверх, при необходимости добавляйте металлическую арматуру. После каждого третьего или четвертого ряда перед укладкой следующего ряда блоков горизонтальный шов следует армировать полосами металлической арматуры, уложенными в раствор.

Вертикальное армирование добавляется путем заполнения пустот бетоном и забивания металлических арматурных стержней в пустоты. Это увеличит поперечную прочность между рядами блоков. Уточните у местных строительных властей рекомендации по вертикальному армированию стены.

Обработка стыков

В зависимости от размера вашего проекта и скорости, с которой вы работаете, вам будет периодически необходимо сглаживать и отделывать стыки между блоками.Это нужно делать после того, как раствор затвердел, но до того, как он полностью затвердеет. Используйте инструмент для чистовой обработки, чтобы слегка надавить на раствор, проводя инструментом вдоль стыка. Инструмент должен образовать небольшое углубление в стыке раствора.

Блоки заглушек

Верхнюю часть стен из цементных блоков обычно закрывают путем нанесения слоя раствора, встраивания полос металлической арматуры, а затем покрытия стены твердыми бетонными заглушками. Убедитесь, что стыки между заглушками заполнены раствором и выровнены отделочным инструментом.

Стены из цементных блоков низкого качества

Если стена из цементных блоков будет ниже уровня земли, например, когда она служит стеной подвала, важно, чтобы поверхность была гидроизолирована перед засыпкой грунтом. Это можно сделать с помощью различных гидроизоляционных мембран или прорезиненного гидроизоляционного материала, наносимого кистью.

АРХИТЕКТУРНЫЕ БЛОКИ — Superior Block

Jacobsville BlockStone ™

Этот архитектурный блок каменной кладки производится с разделенной поверхностью и предназначен для имитации блоков песчаника, вырезанных из карьера Jacobsville.Мягкие красные тона каменной кладки были специально смешаны из заполнителей и цвета, которые соответствуют уникальности этого карьера на озере Верхнее. Jacobsville BlockStone дает дизайнеру бесконечную творческую гибкость, поскольку блоки доступны в полной или половинной высоте.

Jacobsville RockStone ™

В Медной стране Мичигана и на всем Среднем Западе тысячи прекрасных образцов песчаника Джейкобсвилля встречаются на больших семейных домах, церквях, мэриях и библиотеках, и это лишь некоторые из них.Камень Jacobsville RockStone создан, чтобы придать дизайнеру вид необработанного камня в карьере Jacobsville, но по рентабельной цене и при быстрой доступности. Стена заполняется эффектным теневым эффектом в мягких красных тонах кладки с использованием нескольких разделителей в процессе изготовления. Эти блоки доступны в полностью высоком 4 ″, 10 ″, 12 ″, или половинном 4 ″ шпоне.

Jacobsville RedStone ™

RedStone — это каменная кладка, изготовленная с использованием цветов и агрегатов, имитирующих гладкие архитектурные элементы, созданные мастерами в карьере Jacobsville.Мягкие красные тона сочетаются с естественной красотой этого геологического цвета озера Верхнее и придают дизайнеру гладкую песочную поверхность.

Лист с информацией о продукте

Общее: Дизайнерская серия Jacobsville была разработана как замена песчанику, найденному недалеко от Джейкобсвилля, который был популярным строительным материалом, добываемым в медных карьерах Мичигана. После многих лет испытаний Superior Block смогла неизменно соответствовать мягким красным тонам песчаника Джейкобсвилля и разработала линейку продуктов, которая включает в себя различные формы и размеры как в полной, так и в полувысокой конфигурации.Возможность производить этот продукт во многих формах и размерах сделала продукт удобным для архитекторов, строителей, разработчиков и владельцев. Физические характеристики, доступность и невысокая стоимость серии Jacobsville Designer сделали ее ценной альтернативой на рынке.

Физические характеристики: Серия Jacobsville Designer превосходит требования ASTM-C90 по прочности и абсорбции.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

*

*