WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ХРИТАНКОВ Владимир  Фёдорович

ЛЁГКИЕ  БЕТОНЫ  С ГРАНУЛИРОВАННЫМ  ОРГАНИЧЕСКИМ  ЗАПОЛНИТЕЛЕМ, 

НАПРАВЛЕННО ИЗМЕНЯЕМОЙ  СТРУКТУРОЙ  И  МИКРОАРМИРУЮЩИМИ  МИНЕРАЛЬНЫМИ

ДОБАВКАМИ

       

05.23.05 -  Строительные  материалы  и  изделия

Автореферат

диссертации  на  соискание  ученой  степени

доктора  технических  наук

Новосибирск - 2009

  Работа выполнена  в ФГОУ  ВПО «Новосибирский  государственный  аграрный  университет»  Министерства  сельского  хозяйства  РФ

Научный консультант:  доктор технических наук, профессор

  Пичугин Анатолий Петрович 

Официальные оппоненты:  доктор технических наук, профессор

  Верещагин Владимир Иванович

      доктор технических наук,  профессор

  Плетнев Петр Михайлович

  доктор технических наук, профессор

  Хозин  Вадим Григорьевич

Ведущая  организация: Томский  государственный  архитектурно-

  строительный  университет

  Защита состоится «17» ноября 2009 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета  ДМ 212.171.02  при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу:  630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, НГАСУ (Сибстрин),  учебный корпус, ауд. 239.

С  диссертацией  можно  ознакомиться  в  библиотеке  университета.

 

Автореферат разослан « ___»  _____________ 200_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор  технических  наук А.Ф. Бернацкий 

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные требования  к теплотехническим и звукоизолирующим показателям ограждающих конструкций вызвали необходимость поиска путей улучшения  этих  свойств. Целесообразным является использование местного органического сырья в виде торфа, отходов деревообработки, камыша, соломы, коры и др. Осо­бого внимания заслуживает применение торфа, представляющего собой поч­венную массу с достаточно высокими теплоизолирующими  свойствами. В строительстве торф применяется в основном в качестве теплоизоляционного материала в виде плитного утеплителя с достаточно вы­сокими теплофизическими характеристиками. Уникальные свойства торфа: низкая плотность (< 120 - 180 кг/м3), малая теплопроводность обусловливают целесообразность его использования в качестве крупного заполнителя легких бетонов. При опреде­ленных составах и технологических режимах может быть достигнуто не только улучшение структуры и снижение коэффициента теплопроводно­сти, но и увеличение звукопоглощающей способности легкого бетона.  Кроме того, за счет впитывания заполнителем воды из бетонной смеси и после­дующего самоуплотнения при набухании могут быть созданы оптимальные условия формирования цементного камня, что позволяет снизить его пористость, повысить прочность и обеспечить минимальный расход вяжущего. Применение торфозаполнителя и другого растительного сырья ведет к получению экологически чистого материала.

Диссертационное исследование выполнялось по программе «Комплексное ис­пользование минерального сырья» в рамках общероссийской програм­мы 01.87.0.001.003 Минсельхоза Российской Федерации: тема ХIУ «Разработать методы повышения долговечности и эффективности ра­боты строительных конструкций сельскохозяйственных зданий и со­оружений», по программе 5.02 «Экология, охрана окружающей сре­ды Сибири» в период 1995-2007 гг. и в соответствии с научно-технической программой Новосибирского государственного аграрного университета «Создание и опытно-промышленное освоение новых энергосберегающих технологий и техники модульного исполнения для производства строительных материалов из местного сырья и промышленных отходов». Исследования проведены в на­учных лабораториях институтов СО РАН, Новосибирского государственного аг­рарного университета, НПО «СибГЕО», Испытательного центра  «СибНИИстрой»  и др.

Цель работы. Создание научных основ, разработка составов и технологии получения легких бетонов с повышенными звукопоглощающими и теплоизоляционными свойствами на основе гранулированного торфа и других органических заполнителей, являющихся местным сырьем и отходами производства, для использования в жилищном и промышленном строительстве.

Основные задачи работы. Отработать технологию регулирования  свойств легкого бетона и, соответственно, его звукопоглощающей способности за счет оптимизации соотношения волокнистых составляющих и направленного изменения пористой структуры.

Установить закономерности влияния грануляции торфозаполнителя и другого органического сырья  и способов защиты гранул на свойства легкого бетона и оптимизировать состав материалов.

Разработать методы нейтрализации редуцирующих веществ и вредного воздействия органических компонентов, выделяемых из торфа и растительного сырья, на цементный камень, а также варианты технологической пластификации составов легкобетонных смесей.

Отработать способы упрочнения цементного камня  введением микроармирующих минеральных добавок  в составе легкого бетона с использованием в качестве крупного заполнителя торфа и других природных органических материалов.

Разработать методы  расчета теплофизических и звукопоглощающих свойств легкого бетона с направленно изменяемой гранулометрией крупного заполнителя.

Определить показатели водостойкости, влагонасыщения и набухания торфозаполнителя в легком бетоне и разработать методы регулирования этих свойств.

Определить эксплутационные свойства по результатам испытаний в лабораторных и производственных условиях и осуществить прогноз эксплуатационной стойкости легкобетонных изделий и стен с улучшенными теплофизическими и шумопоглощающими характеристиками.

Разработать схемы производства легкого бетона с торфозаполнителем и другими органическими заполнителями  растительного  происхождения  по заводской и монолитной технологиям; разработать нормативно-техническую документацию и осуществить технико-экономическую оценку  работы по результатам  производственного  внедрения. 

Научная новизна. Разработаны теоретические положения по формированию легких бетонов на гранулированном органическом крупном заполнителе с направленно изменяемой структурой, эффективно снижающие шумы одновременно на низких, средних и высоких  звуковых частотах.

Установлены закономерности влияния количества торфозаполнителя и другого органического сырья  на акустические характеристики материала и его звукопоглощающие свойства  за счет изменения технологического режима получения гранулированного торфозаполнителя, заключающегося в регулировании давления  прессования и содержания органического волокнистого компонента.

Установлено, что для получения легкого бетона с плотностью до 550  кг/м3 и коэффициентом  теплопроводности  менее 0,20 - 0,30 Вт/(м.оС) необходимо введение в его состав не менее  60 % по объему торфа или растительного сырья. Для использования в качестве заполнителя легких бетонов предложено гранулирование торфа и других дисперсных волокнистых материалов растительного происхождения с обеспечением плотности гранул не более 300 кг/м3 и прочности их при сжатии более 1,5-2,0 МПа; при этом,  давление прессования при гранулировании должно составлять не менее 15 МПа. Оптимальное соотношение количества портландцемента и гранулированного торфо- или органического заполнителя в легких бетонах составляет (по массе) 1,0 :  0,6 - 0,8.

Установлено, что для предотвращения отрицательного действия на процесс гидратации цемента выделяемых из гранул  крупного органического  заполнителя веществ целесообразно нанесение на их поверхность гипсоизвестковой композиции при соотношении гипса и извести (% мас.) 90-75 : 10-25 или полимерсиликатной композиции  из натриевого жидкого стекла и  ПВА при соотношении (% мас.) 60-75 : 25-40. Использование такого покрытия позволяет снизить водоцементное  отношение на первом этапе твердения за счет водопоглощения крупного заполнителя. В последующем за счет набухания гранул создается избыточное давление, обеспечивающее уплотнение цементного камня. Применение гипсоизвесткового покрытия обеспечивает упрочнение структуры, повышение микротвердости цементного камня в зоне его контакта с гранулами торфа. Использование полимерсиликатной композиции приводит к консервации гранул и снижению отрицательного влияния редуцирующих  веществ на  свойства легкого бетона.

Установлено, что для повышения качества композиционных  материалов, включающих минеральные вяжущие вещества, целесообразно введение в их состав дисперсных микроармирующих кальцийсодержащих добавок, таких как, волластонит и диопсид. Введение в состав бетонных смесей этих соединений взамен 20-40% цемента обеспечивает упрочнение структуры, повышение механической прочности и водостойкости продуктов гидратационного твердения, что обусловлено действием адсорбционного энергетического поля вводимых добавок при формировании органоминерального композита  и микроармированием цементного камня.

Установлено, что применение гранулированного органического материала в качестве крупного пористого заполнителя легких бетонов позволяет получать изделия с плотностью до 550 кг/м3, пределом прочности при сжатии от 2,5 до 5,0 МПа, коэффициентом водостойкости 0,85-0,92, коэффициентом теплопроводности от 0,14 до 0,31 Вт/(м.оС)  и коэффициентом звукового поглощения  от 0,3  до  0,7. Использование гранулированного торфа и органического сырья в качестве заполнителя легких бетонов позволяет значительно улучшить его звукоизолирующие свойства во всех диапазонах звуковых волн за счет формирования направленно изменяемой структуры, а также вследствие повышенной пористости самого органического материала, его природы и волокнистого строения торфа и другого растительного сырья.

Экспериментально установлено, что стены зданий, возведенные из легкого бетона с гранулированным торфозаполнителем и другими растительными материалами, сформированными по принципу направленно изменяемой структуры, теплее обычных легкобетонных стен в среднем на 5,0-5,5 оС, а влажность материала на внутренней поверхности ограждения ниже в 1,3-1,4 раза, что свидетельствует об осушающем действии природного органического сырья в бетоне и улучшении микроклимата в помещениях в целом. При равной толщине стен термическое сопротивление ограждений возрастает в 1,8-2,1 раза, сокращается их масса на 40-60 %  и  повышается шумозащита в 2-3 раза.

Практическая значимость результатов работы.

1. Разработаны составы бетона и технология производства легкобетонных стен на крупных органических заполнителях с высокими коэффициентами поглощения шума в широком диапазоне звуковых частот и повышенными физико-механическими показателями.

2. Разработана методика расчетной и экспериментальной оценки шумопоглощающих характеристик легких бетонов на органических заполнителях,  что позволяет проектировать и изготавливать материалы с заданной структурой  и шумопоглощающими свойствами. 

3. Предложены способы гранулирования торфа и другого растительного сырья с защитой поверхности его частиц гипсоизвестковой композицией или полимерсиликатным составом,  обеспечивающие использование органических материалов в качестве пористого заполнителя легких бетонов.

4. Предложены составы легких бетонов с гранулированным торфозаполнителем и другими растительными материалами, имеющие прочность при сжатии 2,5-5,7 МПа, коэффициент теплопроводности 0,14-0,31 Вт/(м.оС) и повышенные звукопоглощающие свойства за счет формирования направленно изменяемой структуры.

5. Разработаны монолитная и заводская технологии производства легкобетонных стен и изделий с гранулированным органическим заполнителем. Подготовлены и утверждены временные технические условия  ВТУ-1950-310-003-06, ВТУ-1950-310-004-08  «Блоки стеновые из легких бетонов с направленно изменяемой пористой структурой», а также «Рекомендации по изготовлению легкого бетона на гранулированном торфозаполнителе и органическом сырье с улучшенными теплофизическими и акустическими  показателями».

6. Разработанные материалы и технологические процессы внедрены при строительстве жилых и хозяйственных зданий в Куйбышевском, Чановском, Барабинском районах Новосибирской области. Многолетнее наблюдение за состоянием эксплуатируемых объектов показало высокие эксплутационные показатели легкого бетона с гранулированным органическим заполнителем при формировании направленно изменяемой  структуры, а также высокую экономическую эффективность от их использования.

Апробация работы. Отдельные разделы  диссертационной работы докладывались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных, межвузовских и внутривузовских  научных конференциях, семинарах, совещаниях в г.г. Новосибирске,  Барнауле, Владивостоке, Москве, Челябинске,  Бийске, Красноярске, Казани, Томске, Одессе, Полтаве, Харькове, Тарту  и других городах России, стран СНГ и Прибалтики с 1990  по 2009  гг. 

Публикации. По  результатам  выполненных исследований опубликовано свыше  шестидесяти  научных  работ,  включая  три  монографии  и патенты на изобретения,  в том числе в реферируемых  и  рекомендованных ВАК России изданиях с внешним рецензированием -  10  статей. 

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из  введения,  шести глав, основных выводов по работе и приложений; содержит  278 страниц  текста,  54 рисунка, 43 таблицы и список литературы из 267 наименований. 

Автор защищает:

- теоретическое и экспериментальное обоснование по получению легких бетонов на органическом крупном заполнителе с направленно изменяемой структурой, эффективно снижающих шумы во всем диапазоне звуковых частот;

- взаимосвязь между технологическими особенностями процесса гранулирования торфа и другого растительного сырья  для их использования в качестве крупного заполнителя легких бетонов и  структурными параметрами, позволяющими регулировать звукопоглощающие свойства легких бетонов;

- методы нанесения и составы защитных покрытий на гранулах органического заполнителя, обеспечивающие нейтрализацию отрицательного действия на процесс гидратации цемента органических соединений, выделяющихся из торфа и других материалов растительного происхождения;

- результаты исследования упрочняющего действия микроармирующих дисперсных минеральных добавок (волластонит, диопсид) в составе композиционных материалов, содержащих вяжущие вещества;

- технологические схемы изготовления легких бетонов на основе торфа и других органических заполнителей (представляющих собой отходы производства и местное сырье), обладающих повышенным звукопоглощением;

- методы расчета звукопоглощающей способности легких крупнопористых бетонов с гранулированным органическим крупным заполнителем с направленно изменяемой структурой и результаты определения свойств легких бетонов на основе торфа и других органических заполнителей;

- результаты производственного опробования и внедрения разработанных составов по заводской и монолитной технологиям, технико-экономическую оценку  разработанной технологии легких бетонов с улучшенными акустическими свойствами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность  проведенного исследования,  сформулированы  цель и задачи  работы,  приведены  научная новизна и практическая  значимость выполненных  исследований, а также перечислены  основные  положения и результаты,  выносимые автором на  защиту. 

Первая  глава (Анализ состояния вопроса и проблемы исследований)  посвящена анализу роли акустических материалов в решении проблемы борьбы с шумом и в создании благоприятных санитарно-гигиенических условий в жилых  и  общественных зданиях.

Звукопоглощающие материалы находят применение в большинстве случаев защиты от шума. Существенную роль играет структурный фактор материалов, неразрывно связанный с его пористостью. Сообщающаяся пористость чрезвычайно важна для процесса поглощения звука. Обобщая экспериментальные данные по звукопоглощению акустических материалов различной структуры, следует отметить, что наиболее эффективными для целей звукопоглощения являются материалы волокнистой структуры. При проектировании новых видов материалов, важной функцией которых является гашение шума разнополосных частот,  целесообразно в качестве основного сырья использовать тонкодисперсные волокна. Форма пор оказывает заметное влияние на звукопоглощение особенно при низкой пористости. Однако и эти материалы обладают низкой поглощающей способностью звуковых волн на низких частотах (от 16 до 500 Гц).

Значительные трудности в технологии легких бетонов с органическими заполнителями связаны со стабилизацией цементной связки, обеспечением процесса единой работы её с заполнителями. В качестве нейтрализаторов редуцирующих веществ применяют целый ряд соединений: жидкое стекло, лакокрасочные составы и полимерные смолы, а также отходы химических производств, содержащие пленкообразующие вещества.

В настоящее время не уделяется должного внимания научным исследованиям и практическому использованию органоминеральных бетонов, многообразные специфические свойства которых позволяют существенно расширить их эффективное применение. Необходимы работы по использованию камыша, торфа, соломы, опилок в технологии строительных материалов в связи со значительным объемом выхода этих сырьевых ресурсов как побочного продукта деревообработки и сельского хозяйства и необходимостью решения экологических проблем их использования. Получение легких бетонов для стен зданий,  работающих  в  суровых климатических  условиях, особенно актуально для сибирских и северных территорий.  На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава (Материалы для создания звукопоглощающего легкого бетона и методы исследования его свойств) посвящена методологии исследования, характеристике сырья и материалов, выбору аналитической аппаратуры для оценки их структуры и свойств. Для исследования происходящих процессов на микро- и макроуровнях использовались  физико-химические методы и математическое моделирование структур и процессов. В опытах применялись следующие сырьевые материалы.

Торф представляет  собой  почвенную  массу  с  достаточно  высокими  теплоизолирующими  свойствами, низкой плотностью  (менее  120 – 180  кг/м),  малой  теплопроводностью,  доступностью  и  технологичностью  при  переработке. Прямое  использование  торфа  ограничено  большим  количеством  редуцирующих  веществ  и  высокой  кислотностью.  По  компонентному  составу  органическая  часть  торфа  представляет собой набор следующих веществ (% мас.): лигнин - 5… 20;  гуминовые  кислоты  -  12…15;  целлюлоза  -  4…10;  битумы  - 2…8;  водорастворимые  компоненты  - 1…5. Используемый в  исследованиях  торф,  расположенный на территории Новосибирской области, является низинным. К этому типу  относится  более  61 % его месторождений.

Содержание легкогидролизуемых соединений в торфе составляет от 20 до 40 %, что ограничивает его прямое использование в конгломератных материалах на минеральных связках. За счет высокой пористости коэффициент теплопровод­ности торфа имеет значения = 0,05-0,08 Вт/(м°С), что соот­ветствует уровню высокопористых минеральных материалов и пенопластов. Отличительной способностью торфа является его кислотность, при этом pH водной вытяжки составляет от 2,8 до 4,5 для верхового торфа и доходит до 6,5 для низинного.

Солома и камыш. В качестве  крупного  заполнителя  для  легких  органоминеральных бетонов  использовались также солома и  камыш,  которые  подвергались  измельчению,  грануляции и последующей  обработке пленкообразующими композициями. Органическая часть растительного сырья представлена целлюлозой, лигнином,  пентозанами  и  гексозанами и большим  количеством рас­творимых в воде веществ, относящихся к экстрактивным  легко гидролизируемым  компонентам.  В  среднем,  растительное  сырье  имело  следующие  показатели:  насыпная  плотность - 125…186 кг/м;  теплопроводность  в  сухом  состоянии - 0,042…0,058 Вт/(м°С);  гигроскопичность - 18…32 %;  влажность - 12…27 %. Важной характеристикой пористого заполнителя для легких бетонов является водопоглощение, значение которого достигала 40-50 %. Кислотность (рН) водной вытяжки растительных отходов, определенная на рН-метре марки ЛПУ-01, составляла от 3,1 до 5,4.  

Используемый речной кварцевый песок добывался в песчаных карьерах  реки Обь. Минеральный и гранулометрический состав песков данных месторождений соответствовал требованиям ГОСТ 8735-88 "Песок для строительных работ. Методы испытаний" и ГОСТ 8736-85 "Песок для строительных работ. Технические условия". Он отнесен  к  мелким пескам с модулем крупности  0,9 – 1,1. Кроме речного песка в качестве эталона при определении активности це­мента был использован чистый квар­цевый песок Вольского месторождения.

Цемент. В исследованиях был использован портландцемент марки 400 ОАО «Искитимцемент».  Для некоторых составов был использован портландцемент марки 400  Топкинского цементного завода. Испытания, проведенные по ГОСТ 310.1-81…310.4-81 и ГОСТ 5382-91, подтвердили его физико-механические и химические показатели, и со­ответствие требованиям ГОСТ 10178-85* "Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия".

В качестве минеральных  добавок  в  защитные  композиции для микроармирования цементного камня в работе использованы: волластонит Алтайского месторождения, диопсид Слюдянского месторождения и известняковая мука, являющаяся отходом производства. Их химический состав приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав минеральных добавок, мас.%

Минерал

SiO2

CaO

MgO

Al2O3

Fe2O3

R2O

TiO2

П.п.п.

Алтайский волластонит

47,1

45,2

0,9

3,1

2,4

0.2

0,2

0,9

Слюдянский диопсид

53,5

26,2

17,9

0,2

0,1

0,1

0,1

1,9

Известняк

0,5

54,7

0,5

0,2

0,1

-

-

40,4

Средний размер частиц этих минеральных добавок, определенный методом лазерной гранулометрии, составлял:  для волластонита (-CaSiO3), диопсида (CaOMgO2SiO2) и известняковой муки (CaСO3), соответственно, мкм: 28,8; 38,6; 8,7, а удельная суммарная поверхность,  см2/г: 3550; 2010; 6410.

Жидкое  стекло.  В экспериментах использовано натриевое жидкое стекло, соответствующее ГОСТ 13078-81 и имеющее следующие качественные характеристи­ки: плотность, кг/м3 - 1450 …1510; массовая доля SiO2, % - 25,1…35,6; массовая доля Na2O, %  -  2,6…3,0.

Латекс. Для защиты гранулированного заполнителя в качестве пленкообразующей композиции был использован бутадиен-стирольный латекс СК-65ГП, соответствующий требованиям ГОСТ 10564-75. Использованный в исследованиях латекс СКС-65ГП, имеющий в своем со­ставе 35 % (мас.) бутадиена и 65 % (мас.) стирола, представлял композицию концентрации 47 % с вязкостью по вискозиметру ВЗ-4 - 12  и  рН  = 11.

Фенолоформальдегидная смола СФЖ – 3016 по ГОСТ 20907-75 имела плотность 1110-1140 кг/м и вязкость 10-15 с. К недостаткам данной смолы относится ее токсичность, хотя её физико-механические и технологические параметры вполне удовлетворительны. 

В составе защитных покрытий гранул из торфа, соломы и камыша использовались также: эпоксидно-диановый олигомер  ЭД-20  (ЭД-16);  акриловые смолы;  дисперсия ПВА ;  битумная эмульсия, состоящая из двух несмешивающихся жидкостей: во­ды и битума, обладающая пониженной вязкостью (20-40 с) и достаточно высокой технологичностью в широком интервале положительных температур (от +3 °С до 40-50 °С).  Битумная эмульсия соответствовала тех­ническим условиям и содержала (% мас.): органического вещества - 38,0…50,0; эмульгато­ра - 5,4…9,8; воды - 42,0…52,0.

Кроме вышеперечисленных компонентов в исследованиях использовались  такие минеральные вяжущие, как строительный гипс и известь, из которых  готовились композиции при различном соотношении для покрытия гранул из  торфа и растительного сырья.

Изменение  структуры материалов изучали ренгенофазовым методом (ДРОН-3М), дифференциально-термическим анализом (дериватограф ОД-102 системы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрдеи). Кроме того в исследованиях использовались такие методы, как:  порометрия, капиллярная пропитка, анализ реологических характеристик защитных композиций,  лазерная гранулометрия, микроструктурный анализ. Для определения шумопоглощающей  способности легкого бетона на гранулированном торфе и других органических заполнителях была специально спроектирована и изготовлена акустическая  лабораторная установка, в которую входили осциллограф с цифровым считывающим устройством  и звуковой генератор. Исследования акустических свойств осуществлялись в соответствии с установленными нормативными требованиями международного стандарта ИСО 10847 «Акустика», ГОСТ 20444-85 «Шум. Методы определения шумовой характеристики», СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки», санитарными и строительными нормами и правилами. Прочностные, деформационные и эксплуатационные параметры легкого бетона определяли стандартными методами.  Достоверность результатов экспериментов обеспечивалась высокой разрешающей способностью аналитической аппаратуры, проверкой на соответствие действующим положениям, статистическим анализом полученных данных.

В третьей главе  (Обеспечение качества гранулированного пористого заполнителя для легкого бетона) приводятся результаты исследований по получению гранулированного крупного заполнителя на основе торфа и другого растительного сырья. Приведены режимы гранулирования и их влияние на свойства гранул; определены оптимальные параметры влажности, температуры и давления для получения гранул требуемой  насыпной массы, прочности и водопоглощения. Для оценки работы гранул торфа с нанесенной на них защитной оболочкой проведен анализ действующих на них нагрузок  при изготовлении и эксплуатации легкого бетона (рис. 1). 

Рис. 1. Схема  действия  нагрузок  на  защитную  оболочку  гранулы  торфа:  1 – внутреннее давление; 2 – давление набухания; 3 – верхнее давление; 4 – зона  пустоты; 5 – боковое давление от других гранул; 6 – нижнее давление

 

От неравномерного  изменения  деформаций  и температуры в  различных  участках  крупного  заполнителя  в  стенке  защитной  оболочки  возникают изгибающие моменты

,         (1)

где  t  = 1.10-5, 1/град - коэффициент линейного расширения бетона; tн и tВ - температура соответственно на различных участках гранулы или на­ружной и внутренней поверхности защитной оболочки; E - модуль деформации; h - толщина оболочки.

Теоретический анализ показал необходимость повышения прочности защитной оболочки. Введение в её состав волластонита в количестве 2-3 %  по массе позволило увеличить прочность при растяжении в 2-3 раза.

Поскольку ни один из испытываемых защитных составов (табл. 2) не обеспечивал достаточной защиты от редуцирующих веществ, были исследованы бинарные составы, которые создавали более прочную оболочку при минимальных расходах композиций (рис. 2).

Таблица 2 

Свойства гранул  торфозаполнителя с различной защитой

Вид нейтрализатора или зашитной оболочки

Плот­ность, кг/м3

Проч­-

ность,

МПа

Теплопроводность,

Вт/(м. °С)

Водо-

стой-

кость

рН вод-ной вы-тяж­ки

Мел

200-230

0,3-0,4

0,09-0,10

-

6,5

Известь

210-270

0,20-0,25

0,12-0,13

-

6,8

Цемент

240-325

1,8-2,7

0,14-0,18

+

6,1

Гипс

205-260

1,1-1,9

0,09-0,11

-

5,7

Жидкое стекло

225-280

1,6-2,1

0,12-0,15

±

4,9

Битумная эмульсия

195-245

0,10-0,15

0,07-0,09

±

4,3

Полимерное

190-240

0,6-0,8

0,07-0,09

+

5,3

Без обработки

150-180

0,10-0,15

0,06-0,08

-

4,2

40 55 70 85 100 Гипс,  %

  ----------------------------------------------------

  60 45 30 15 0  Известь, %

  Рис. 2. Изменение вязкости (1) гипсоизвестковой композиции  и её

расхода (2)  при защите гранулированного заполнителя

К достоинствам выбранных составов можно отнести возможность разбавления данных композиций водой, что обеспечивало заданную минимальную вязкость.

Оптимальными являются следующие составы, обеспечивающие предотвращение отрицательного действия выделяемых из гранул крупного органического заполнителя редуцирующих веществ: гипсоизвестковая композиция при соотношении гипса и извести (% мас.) 90-75 : 10-25 или полимерсиликатная композиция  из натриевого жидкого стекла и ПВА при соотношении  (% мас.) 60-75 : 25-40.

А Б

  Ширина зоны, мм

Рис. 3. Распределение  микротвердости  в  контактной  зоне  цементного  камня  на  гра­нице с торфозаполнителем (А)  и микроструктура контактной зоны (Б), х 300:  1 -  минеральный  наполни­тель; 2 – гипсоизвестковая  защита  гранул;  3 –  полимерная  за­щита  гранул; 4 – без защиты

Таким образом, были определены защитные составы, эффективность которых была проверена на образцах органического крупного заполнителя и цементного камня в контактной зоне. Результаты распределения микротвердости в контактной зоне «цементный камень – гранула торфа с защитным покрытием» для различных составов приведены на рис. 3. Определены теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства бетонов различных составов (табл. 3) на гранулированном заполнителе из торфа и растительного сырья в широком диапазоне звуковых частот (табл. 4, 5).

Таблица 3

Состав легкого бетона с торфозаполнителем

                                             

Компоненты

Расход по составам, кг/м3, для фракций

20-40мм

10-20 мм

5-10 мм

Гранулированный

торфозаполнитель

200-235

250-320

310-375

Портландцемент М 400

150-180

165-190

195-210

Дисперсный наполнитель

50-70

60-85

70 -100

  Таблица 4

Показатели свойств легкого бетона по фракциям

Свойства

Показатели бетонов с фракциями, мм

20-40

10-20

5-10

Плотность, кг/м3

350-420

390-470

475-530

Предел прочности 

при сжатии, МПа

2,6

3,1

5,7

Водопоглощение, % по массе

16,5-17,2

14,8-15,9

13,2-14,5

Водостойкость

0,85

0,82

0,91

Морозостойкость, циклов

15

15

25

Теплопроводность, Вт/(м°С)

0,11

0,13

0,28

С учетом полученных свойств гранулированного пористого заполнителя из торфа и другого растительного сырья проведено математическое моделирование оптимальных характеристик материала. Получены уравнения  для  волновых  параметров, совокупность которых представляет математическую модель: 

  Q  =  ,  (2)

Wa  = Wa = 1 + Q при f    fcr ,          (3)

Wa = Wa = q/H при f fcr , (4)

Wi  = Wi = QH/(1+A),                 (5)

  = = k QH,                         (6)

= = k[1+QH(1+B)].       (7)

В  качестве акустических параметров материала приняты: волновое сопротивление W и постоянная рас­пространения   (1/м).  Эти величины состоят из двух  элементов: W = Wa - iWt, ;  здесь Wa, Wi – действительная и мнимая составля­ющие величины W; = + i (1/м), где – показатель затухания амплитуды звуко­вого давления; – фазовая постоянная. Дополнительно в модель введены следующие показатели: пористость Н; размер пор  D; структурная характеристика Q;  коэффициент вязкости µ;  скорость звука cо; извилистость пор q; эмпирические коэффициенты А и В и  безразмерный параметр, характеризующий структурные особенности  материала: М = 10-3 d / о, где о – плотность воздуха.

Таблица 5

Звукопоглощающая способность слоев толщиной гранулированного  органического заполнителя легкого бетона

Наименование

материала

(фракции)

Коэффициент звукопоглощения при частоте звука

63

Гц

125

Гц

250

Гц

500

Гц

1000

Гц

2000

Гц

4000

Гц

8000

Гц

Керамзитобетон

0,03

0,04

0,06

0,06

0,08

0,12

0,14

0,16

Гранулированный

торф 5-10 мм

То же,  10-20 мм

То же,  20-40 мм

0,08

0,10

0,11

0,12

0,14

0,13

0,11

0,18

0,16

0,18

0,23

0,22

0,27

0,24

0,23

0,38

0,32

0,34

0,41

0,45

0,49

0,44

0,48

0,52

Гранулированный

камыш 5-10 мм

То же,  10-20 мм

То же,  20-40 мм

0,06

0,11

0,10

0,11

0,12

0,11

0,10

0,16

0,14

0,17

0,21

0,20

0,25

0,23

0,22

0,36

0,31

0,33

0,39

0,44

0,49

0,43

0,45

0,54

Гранулированная

солома 5-10 мм

То же,  10-20 мм

То же,  20-40 мм

0,06

0,09

0,10

0,10

0,13

0,13

0,08

0,13

0,12

0,14

0,20

0,20

0,25

0,24

0,25

0,34

0,33

0,35

0,40

0,43

0,47

0,43

0,46

0,51

Полученные результаты позволили определить требования к структуре легкого бетона с органическим гранулированным заполнителем, обеспечивающей максимальное звукопоглощение. 

Формирование легких бетонов с направленно изменяемой структурой  и определенным расположением крупного заполнителя позволяет тепловому потоку проходить без явно выраженного перепада теплофизических характеристик (коэффициента теплопроводности), что способствует меньшему  конденсатообразованию и разрушению стеновых материалов в суровых климатических условиях. Практическая реализация такого стенового материала требует решения комплекса проблем, в т.ч. создания крупнопористого материала с применением легкого  органического заполнителя при минимальном содержании цементной матрицы. При этом последняя должна обладать достаточной  адгезией к заполнителю, водо- и морозостойкостью, низкими показателями усадки и высокой трещиностойкостью.

  В  соответствии с этим (глава 4 Исследование составов и свойств легкого крупнопористого бетона с повышенными звукопоглощающими характеристиками)  были проведены комплексные исследования составов и свойств легкого крупнопористого бетона  на  гранулированном  органическом  заполнителе.  С  учетом  представленной выше  математической модели была отработана методика получения легкого бетона с направленно изменяемой структурой. Теоретическая кривая среднего размера гранул для оптимального технического решения  представлена на рис. 4.

  Поскольку на практике трудно реализовать такую структуру, была принята экспериментальная ступенчатая кривая, приближенная к теоретической.

Для получения легкого бетона с плотностью до 450-500 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности менее 0,25-0,30 Вт/(м°С) необходимо введение в его состав не  менее  40-60 % по массе гранулированного торфа или растительного сырья. Оптимальное соотношение количества портландцемента и гранулированного торфо- или органического заполнителя в легких бетонах составляет 1,0 : 0,6 - 0,8 с учетом гранулометрического состава заполнителя. Растительные материалы отрицательно влияют на формирование цементной матрицы, резко снижая прочность цементного камня уже при содержании органического материала  более  10 %, поэтому для использования торфа, соломы,  камыша  в качестве крупного заполнителя легких бетонов необходима нейтрализация действия выделяющихся из него редуцирующих веществ и создание на поверхности частиц  защитных покрытий.

А Б

Рис. 4. Распределение по толщине изделия среднего размера гранул в легком бетоне на гранулированном торфозаполнителе (А) и фактическая структура легкого бетона (Б): 1 - расчетно-теоретическая  кривая; 2 - экспериментальное распределение

  Установлена возможность регулирования звукопоглощающих свойств легкого бетона за счет формирования структуры материала с направленно изменяемыми размерами гранул органического заполнителя и оптимизации соотношения волокнистых составляющих в органическом крупном заполнителе. Такой способ формирования крупнопористого бетона с крупным заполнителем из гранулированного торфа, камыша  или соломы позволяет в 2-3 раза повысить звукопоглощающую способность материала и приблизить эти показатели  к одному из лучших материалов - войлоку. Коэффициент звукопоглощения легкого бетона регулируется путем изменения гранулометрического состава крупного пористого заполнителя, его пористости, зависящей от степени уплотнения и вида растительного сырья. Стены зданий, возведенные из легкого бетона с гранулированными растительными материалами, сформированными по принципу направленно изменяемой структуры, теплее обычных легкобетонных стен в среднем на 5,0-5,5 оС, а влажность материала на внутренней поверхности ограждения ниже в 1,3-1,4 раза, что свидетельствует об осушающем действии природного органического сырья в бетоне и улучшении микроклимата в помещениях в целом.

  Пятая глава  (Особенности формирования структуры легкого бетона с торфозаполнителем)  содержит результаты комплексных исследований органоминерального материала. При звукопоглощении легким бетоном волн различной частоты важным фактором, определяющим шумопоглощение, является пористая структура цементной оболочки (матрицы) вокруг крупного органического заполнителя.

Были проведены исследования  свойств вяжущих на основе гипса с введением упрочняющих структуру микроармирующих минеральных добавок, содержание которых составляло, в мас.% :  волластонит  - 20; 30; 40 (составы 1, 2, 3); диопсид 20; 30; 40 (составы 4, 5, 6); известняковая мука – 20; 30; 40 (составы 7, 8, 9); волластонит  -  15, диопсид – 15 (состав 11);  контрольный состав – 10 (табл. 6).  При возрастании количества вводимой добавки все большая доля воды оказывается химически несвязанной и, по мере ее испарения при сушке изделий наблюдается увеличение их пористости.

Таблица 6

  Пористость и водопоглощение  исследованных составов

Номер

состава

Истинная

плотность,

г/см3

Средняя

плотность,

г/см3

Общая

пористость

(П), %

Водопо­г-

лощение

(В), %

Отношение

В/П

1

2,39

1,22

49,0

25,7

0,52

2

2,42

1,19

50,1

27,1

0,54

3

2,44

1,21

50,6

27,7

0,55

4

2,43

1,21

50,1

26,3

0,52

5

2,47

1,21

51,0

28,1

0,55

6

2,51

1,21

51,8

30,6

0,60

7

2,37

1,19

49,8

26,2

0,53

8

2,39

1,19

50,1

26,4

0,53

9

2,41

1,15

52,5

29,5

0,57

10

2,32

1,22

47,0

21,5

0,46

11

2,44

1,21

50,5

28,2

0,56

Введение добавок способствует перераспределению внутренних напряжений в композиционном материале. Большая их часть будет приходиться  на  вводимые  добавки,  как имеющие более высокое значение модуля упругости. Вместе с тем, введение добавок в рассматриваемом случае сопровождается увеличением пористости образцов, что является положительным для общего процесса звукопоглощения легким крупнопористым бетоном на гранулированном растительном заполнителе.

Учитывая разнородность компонентов, с целью обеспечения стабиль­ных качественных показателей  легких  бетонов с добавками, были проведены исследования взаимодействия в си­стеме:  «цементный камень – полимерсиликатная  (гипсоизвестковая)  защитная  композиция -  органический  пористый заполнитель». Были рассмотрены различные зоны сопряжения этих компонентов.

Результаты исследо­ваний контактных зон легкого бетона позволили сделать вывод о том, что при использовании  рассмотренного количества исследованных минеральных добавок (волластонит, диопсид, известняк) дополнительных новообразований в цементном камне практически не обнаружено. При контактировании цемента с растительным сырьем последнее отрицательно влияет за счет редуцирующих  веществ на гидратацию цементного вяжущего. Консервация  гранул торфозаполнителя полимерсиликатными  композициями или  нанесение  защитного  гипсоизвесткового состава обеспечивает нейтрализацию действия редуцирующих  веществ  на  поверхности  гранулированного  заполнителя, что создает благоприятные условия для твердения цементного вяжущего.  При введении волластонита или диопсида отмечено их усиливающее влияние на структуру даже при малом количестве. Данный факт использован с целью повышения эф­фективности работы минерального вяжущего  как  в составе матрицы, так и для  усиления гипсоизвестковой  или  полимерсиликатной композиции, используемой  для  защиты  торфяных или растительных  гранул.

При применении в качестве защитных покрытий гранулированного торфозаполнителя комбинированных композиций из гипса и извести на­блюдается эффект упрочнения микроструктуры в контактной зоне  гранулы из растительного сырья и цементной матрицы (рис. 3).

Рентгенофазовый  и термографический анализы образцов из отдельных компонен­тов и различных сочетаний цемента с заполнителями позволили установить особенности их фазового состава. Анализ кривых ДТА показывает, что основные эф­фекты соответствуют разложению Са(OH)2 - 500-530 °С и вторичного карбоната кальция в интервале температур 790-820 °С. На рентгенограммах цементного камня  отмечено наличие аналитического рефлекса  Са(ОН)2, (2,61 10-10 м), а также  рефлексов  гидросиликатов кальция (рефлексы · 10-10 м : 3,05; 2,97; 2,85; 2,40; 1,83 и др.). Важным при изучении контактной зоны гранул заполнителя с цементной матрицей является вопрос взаимодействия гипсоиз­весткового защитно-нейтрализующего покрытия с цементным камнем в присутствии торфа или другого органического сырья.

1  2

3  4 4

Рис. 5. Микрофотографии контактных зон крупного органического заполнителя с  цементной  матрицей  в  крупнопористом  легком  бетоне: 1 -  гранула  из соломы;  2 -  гранула  из  торфа;  3  -  гранула торфа, защищенная полимерным покрытием;  4  -  то  же, с  защитой  гипсоизвестковым  составом, х  3 00.

  1 2

 

Рис. 6. Микроструктура  цементной  матрицы  без  волластонита (1) и с  волластонитом  (2) в  легком  бетоне, х 440

Установлено, что мик­роструктура в зоне данного контакта отличается большей плотностью и меньшей пористостью ввиду проявляемого торфяной гранулой двойного эффекта - впитывания влаги на этапе перемешивания и формования и са­моуплотнения за счет внутреннего давления набухания торфозаполнителя после полного массонасыщения.

Данное явление следует, види­мо, связывать с более полной гидратацией цемента при благоприятных условиях кристаллообразования, что подтверждается уменьше­нием пористости цементного камня. На рис. 5 и 6 представлены микрофотографии  гранул из торфа и  растительного сырья в контактных зонах легкого крупнопористого бетона.

Изучение микроструктуры и свойств цементного камня в контактной зоне с гранулированным органическим заполнителем показало, что выявленный двойной эффект влагопоглощения и внут­реннего самоуплотнения позволяет обеспечивать благоприятные усло­вия твердения минерального вяжущего не только в контактной зоне, но и по всему объему.

В главе 6 (Опытно-производственное внедрение легких бетонов с повышенной звукопоглощающей способностью и технико-экономическая эффективность их применения) рассмотрена технологическая схема производства гранулированного заполнителя из торфа и другого растительного сырья в соответствии с выработанными рецептурами и оптимальными составами.

Осуществлен подбор стандартного и нестандартного оборудования и приспособлений. Разработано специальное устройство для нанесения защитного покрытия гранул из растительного сырья для легкого бетона, включающее съемные двойные мелкопористые слои, прижимные валики, привод, емкость с пропиточной композицией и другие элементы.

Технологическая  схема  производства  гранулированного  крупного  заполнителя из торфа и другого растительного сырья включает следующие процессы и операции: разработку торфа в карьере и буртование для осушения и проветривания; доставку к месту переработки;  классификацию и оценку качества по существующим нормативным  параметрам (влажность, плотность, степень разложения, наличие посторонних включений, зольность и т.д.). Далее органическое сырье подвергается дроблению для  получения  однородной  массы,  обеспечивающей равномерное уплотнение в грануляторе. Во избежание негативных  проявлений  (гнили,  запахов,  разложения и т.п.) сырье обрабатывается известью или мелом для дезинфекции. После обработки  паром масса поступает на грануляцию. При этом за счет пара обеспечивается оптимальная влажность формуемой массы. Учитывая тот  факт,  что  были  разработаны  два варианта защитных покрытий - гипсоизвестковое и  полимерсиликатное - дальнейший путь движения  гранул проходил по этим схемам, т.е. осуществлялось нанесение защитной оболочки одной из указанных выше композиций. Изготовленные по данной технологии гранулы из растительного сырья подавались на склад готовой продукции или в бункер крупного пористого заполнителя цеха по производству легкобетонных изделий (блоков). На рис. 7 представлена технологическая схема производства крупноразмерных блоков из гранулированного торфозаполнителя.

Для изготовления легкого бетона с направленно изменяемой структурой за счет последовательного изменения гранулометрического состава необходимо учесть следующие исходные  параметры и показатели: средние  расходы  составляющих;  выход  легкого  бетона  из  исходной  бетонной  смеси;  минимальные  расходы  цементного  теста  для  достижения  высокой  прочности  сцепления  отдельных  гранул;  необходимость получения  сквозной  пористости и регламентируемой  плотности для обеспечения  теплофизических  и акустических характеристик ограждающих  конструкций  и  др.  Все  эти  вопросы  были  решены  следующим  образом.

1. Были  рассмотрены  различные  варианты  создания  направленно  изменяемой структуры, что обеспечивало  высокую  шумопоглощающую  способность  материала.

2. Были  предложены  однофракционные  смеси  крупнопористого  бетона,  из  которых формировалась  ограждающая конструкция.

3. Разработана специальная  технологическая  оснастка для  бетонирования такой  конструкции  ограждения из  нескольких  слоев: внутренний (центральный) слой  - крупнопористый  бетон  из гранулированного заполнителя  фракции  20–40 мм; средний  слой - крупнопористый  бетон из гранулированного заполнителя фракции 10–20 мм; наружный (периферийный) слой - крупнопористый  бетон из гранулированного заполнителя фракции 5–10 мм. После формования вся конструкция обрабатывалась затирочным отделочным составом на пористом мелком заполнителе, чтобы исключить неровности поверхности. 

 

  Рис. 7. Технологическая  схема производства легкобетонных изделий 

с  направленно изменяемой структурой  на  гранулированном крупном заполнителе  при  работе  нескольких  смесительных  устройств

 

  При этом укладываемый легкий  бетон  имел осадку  стандартного конуса в пределах 2-7 см. Назначение оптимального  расхода воды для каждого состава легкого бетона производилось экспериментально  в  зависимости  от  вида  крупного  заполнителя и его водопотребности.  В  табл. 7  приведены составы  легкого бетона с гранулированным  заполнителем.  Дозировка  цемента и воды  производилась  по массе, остальных  компонентов  -  по объему. Приготовление легкобетонной смеси  осуществлялось в стандартных  растворо-  и  бетономешалках для каждого фракционного состава отдельно.

                         Таблица 7

Составы  бетона  с  торфозаполнителем

Компоненты

Расход для бетона класса, кг/м

В 3.5

В 5.0

Дисперсный  наполнитель

50-60

65-75

Торфозаполнитель

150-160

150-160

Цемент М 400

120-150

155-185

Вода

110-120

130-140

Таблица 8

Коэффициенты  звукопоглощения  стен  из  легких бетонов  с направленно изменяемой пористой структурой  (НИПС) на  разных  частотах

Наименование

материала

Коэффициент звукопоглощения при частоте звука

63

Гц

125

Гц

250

Гц

500

Гц

1000

Гц

2000

Гц

4000

Гц

8000

Гц

Войлок (эталон)

0,16

0,18

0,36

0,71

0,78

0,83

0,85

0,87

Керамзитобетон

(традиционный)

0,06

0,06

0,08

0,08

0,12

0,28

0,27

0,23

Стена из торфо-

бетона  с  НИПС

0,23

0,24

0,32

0,44

0,49

0,57

0,64

0,61

Стена из камше-

бетона  с  НИПС

0,14

0,19

0,28

0,41

0,54

0,56

0,58

0,58

Стена из соломо-

бетона  с  НИПС

0,17

0,20

0,25

0,29

0,38

0,52

0,54

0,51

Изготовленные по разработанной технологии и рецептуре легкобетонные блоки с крупным структурообразующим заполнителем из гранулированного торфа (табл.7 и 8) были использованы для возведения стен двух­этажного спального корпуса на базе отдыха Куйбышевского завода же­лезобетонных изделий, жилых одно- и двухквартирных домов и объектов производственного назначения в Куйбышевском, Чановском и Барабинском районах  Новосибирской области. Сравнительный анализ качественных показателей стен, выполненных из легких бетонов на гранулированном растительном сырье, показывают их явные преимущества по сравнению с традиционными стеновыми материалами (табл. 8).

Следует отметить повышенную звукопоглощающую способность легкого бетона предлагаемой технологии, способного за счет направленного изменения пористой структуры обеспечить высокий уровень звукового поглощения в широком интервале звуковых частот.

На основе опытно-производственной проверки результатов ис­следований были разработаны временные технические условия ВТУ 2-07-98. «Блоки легкобетонные с гранулированным торфозаполнителем», рассмотренные и одобренные техническим советом Куйбышевского завода железобетон­ных изделий (ООО "Металлист") и согласованные с подрядными строительными организация­ми и предприятиями.

В соответствии с действующими методиками согласно СНиП  были выполнены теплотехнические расчеты ограждений из легких бетонов с торфозаполнителем для различных конструктивных и эксплуатационных условий, что нашло свое отражение в «Рекомендациях по изготовлению и применению крупнопористого легкого бетона повышенной звукопоглощающей способности на гранулах из торфа и другого растительного сырья».

После сдачи объектов в эксплуатации на протяжении ряда лет проводилось обследование состояния экспериментальных стен и сравнение их параметров с традиционно приме­няемыми стенами из обыкновенного глиняного кирпича и золошлакоблоков без пористого крупного заполнителя. Регулярно проводились обследования и оценка звукопоглощающих, теплотехнических, гигиенических и физико-механических пока­зателей легкобетонных стен. Определен экономический эффект от реализации и внедрения разработанных рекомендаций. Показано, что использование легкого крупнопористого бетона  на гранулированном заполнителе из торфа или растительных отходов сокращает затраты на возведение стен в 1,5-2,0 раза, уменьшает массу  ограждающей конструкции в 1,4 - 1, 7 раза, повышает  теплозащитные функции  в 1,3 - 1,6 раза и увеличивает звукопоглощение в 2,5 -3,5 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ научной и технической литературы по исследованию и применению торфа и другого растительного сырья показал, что данные материалы, обладая целым комплексом положительных качеств и низкой себестоимостью, до сих пор не нашли широкого использования при производстве тепло- и звукоизоляционных изделий и конструктивных слоев ограждений. Одним из наиболее перспективных направлений применения органического сырья в строительных целях может быть использование его в качестве крупного пористого заполнителя легких бетонов. Такой подход к решению задачи по улучшению теплофизических и звукоизолирующих характеристик легких бетонов весьма актуален в свете тенденций к энергосбережению и снижению материалоемкости.

2. Введение в состав легкого бетона торфа в качестве крупного заполнителя при объемном содержании его не менее 40 % способствует получению материала с коэффициентом теплопроводности не более 0,3 Вт/(м°С). Вместе с тем кусковой торфозаполнитель отрицательно влияет на формирование цементной матрицы, резко снижая прочность цементного камня даже при содержании органических материалов в составе бетонной смеси в количестве до 10 %  по объему. Использование торфа и другого сырья растительного происхождения в качестве крупного заполнителя легких бетонов возможно при нейтрализации отрицательного действия выделяющихся органических веществ или создании специальных защитных покрытий на поверхности частиц органического материала.

3. Защита поверхности торфа и другого органического заполнителя различными составами (известковым тестом, гипсом, полимерными, минеральными соединениями, жидким стеклом) затруднена наличием в нем большого количества открытых пор, что обусловливает большой расход защитных составов. С целью уменьшения толщины защитных слоев и снижения расхода защитных составов целесообразно осуществлять гранулирование торфа и других растительных материалов. Оптимальное давление прессования при гранулировании составляет 15-20 МПа, что позволяет получать гранулы с прочностью не менее 2,0-3,0 МПа и насыпной плотностью не более 300-350 кг/м3.

4. Использование в качестве покрытия частиц торфа гипсоизвестковой композиции при соотношении гипса и извести (% масс.) 70-75 : 10-25 , а  для другого растительного сырья полимерсиликатной композиции из жидкого стекла и ПВА позволяет снизить водоцементное отношение на первом этапе твердения легких бетонов за счет поглощения воды органическим заполнителем. В последующем, вследствие набухания гранул, создается давление, обеспечивающее уплотнение цементного камня. Давление набухания растительных гранул крупного заполнителя составляет:  в случае гранул без защиты до 56-60 кПа, при использовании гипсоизвестковой защиты 21-32 кПа, при нанесении полимерных соединений 8-15 кПа.

5. Микроструктура контактной зоны гранул торфозаполнителя, имеющих гипсоизвестковое защитное покрытие, с цементнозольной матрицей отличается повышенной плотностью и меньшей пористостью вследствие проявления двойного эффекта действия гранул торфа – впитывания влаги на этапе перемешивания и формирования бетонной смеси и самоуплотнения за счет внутреннего давления набухания торфозаполнителя после полного водонасыщения. При этом объем капиллярных пор цементно-зольного камня сокращается с 47-61 до 23-28 %, заметно уменьшается средний размер пор. Использование гипсоизвестковой защиты поверхности гранул торфа обеспечивает повышение микротвердости контактной зоны на границе цементного камня с торфозаполнителем: на расстоянии 0,4 мм от поверхности гранул торфа – с 20 до 50 МПа, на расстоянии 1,0 мм – с 25 до 60 МПа.

6. Установлено, что для повышения качества композиционных материалов, включающих минеральные вяжущие вещества, целесообразно введение в их состав дисперсных микроармирующих кальцийсодержащих природных добавок, таких как волластонит и диопсид. Исследованы свойства гипсовых смесей, содержащих от 20 до 40 % мас. волластонита, диопсида и известняка. Установлена тенденция к повышению  температуры разложения продуктов гидратации таких смесей, особенно при введении волластонита. Совместное действие волластонита и диопсида является аддитивным. Введение добавок диопсида, известняка и особенно волластонита в состав композиционных смесей на основе гипса способствует увеличению прочности образцов при одинаковом уровне пористости. Образцы, содержащие 40 % волластонита и 30 или 40 % диопсида, с водопоглощением 28-31 % имеют более высокое значение коэффициента размягчения, чем образцы гипса без добавок, имеющие водопоглощение 21,5 %. Это обусловлено структурным упрочнением продуктов твердения гипса вследствие действия адсорбционного энергетического потенциала минеральной добавки и микроармированием структуры.

7. При получении легких бетонов с гранулированным торфозаполнителем или другим растительным сырьем оптимальное соотношение портландцемента и гранулированного торфозаполнителя составляет (по массе) 1,0 : 0,6 - 0,8. Это позволяет получать легкий  бетон с пределом прочности при сжатии не менее 2,5-5,0 МПа и плотностью до 450-500 кг/м3.

8. Предложена технологическая схема производства легких бетонов с гранулированным растительным заполнителем и послойным формованием изделий с различными фракционными составами, что обеспечивает эффективное снижение звуковой проницаемости (шумозащиту) в широком диапазоне звуковых волн за счет создания структуры с различной формой и различным диаметром пор. Определен комплект оборудования и технологической оснастки для изготовления изделий из таких бетонов. При получении легких бетонов с гранулированным заполнителем  из органического сырья растительного происхождения общая продолжительность тепловой обработки составляет 15-16 часов и включает: выдержку до прогрева – 2,5-3,0 часа;  подъем температуры до 65-70 оС – 2,0-2,5 часа; термообработку - 8,0-9,0 часов, охлаждение - 2,0-2,5 часа. Использование предложенных составов и технологии позволяет получать легкие бетоны, имеющие плотность до 550 кг/м; коэффициент теплопроводности от 0,14 до 0,31 Вт/(м°С), морозостойкость не менее 15 циклов, коэффициент звукового поглощения во всем диапазоне звуковых частот  от  0,3 до 0,7.

9. Осуществлено производственное апробирование и внедрение предложенных материалов и технологических процессов. Легкобетонные блоки с гранулированным торфозаполнителем использованы при строительстве жилых и производственных зданий в  Барабинском,  Куйбышевском и Чановском районах Новосибирской области. Регулярное обследование стен этих зданий в течение ряда лет показало стабильность свойств и эксплуатационную стойкость изделий из предложенных легких бетонов. Экспериментальные стены теплее шлакобетонных стен без органического заполнителя в среднем на 5-5,5 оС;  влажность материала на внутренней поверхности ограждения ниже в 1,3-1,4 раза, что свидетельствует об осушающем эффекте торфа в легком бетоне  и, следовательно, улучшении микроклимата помещений в целом. Кроме того, отмечено уменьшение уровня шума в помещениях от внешних источников в 2-3 раза  по  сравнению с обычными стенами из керамзитобетона.

10. Разработана технология получения легких бетонов с гранулированным органическим заполнителем и послойным формованием изделий с различными его фракционными составами в специальной форме-опалубке. На основе опытно-производственной проверки результатов исследований  разработаны и утверждены временные технические условия ВТУ-1950-310-003-06, ВТУ-1950-310-004-08 «Блоки стеновые из легких бетонов с направленно изменяемой пористой структурой», и разработаны «Рекомендации по изготовлению легкого бетона на гранулированном торфозаполнителе и органическом сырье с улучшенными теплофизическими и акустическими показателями».

Технико-экономическая эффективность при использовании легких бетонов с гранулированным торфозаполнителем определяется тем, что при равной толщине стен термическое сопротивление ограждений возрастает в 1,8-2,1 раза. Кроме того, уменьшаются трудозатраты на 30-36 % и сокращается масса стен на 40-46 %, что позволяет экономить транспортные расходы.

Основное содержание  диссертации опубликовано

в следующих работах

Монографии

1. Пичугин А.П.  Применение торфа в строительстве / А.П.Пичугин, В.Ф. Хританков. - Новосибирск: НГАУ, 2001. - 101 с.

2. Пичугин А.П. Использование торфа и растительного сырья в строительстве / А.П. Пичугин, В.Ф. Хританков. – Новосибирск:  НГАУ-РАЕН,  2008. - 137 с.

3. Хританков В.Ф.  Легкие органоминеральные бетоны  с повышенной  звукопоглощающей  способностью / В.Ф. Хританков. -  Новосибирск: НГАУ-РАЕН.- 2009. - 158 с.

Статьи  в  рецензируемых изданиях и журналах

4. Пичугин А.ПЭкологические  проблемы  эффективного  использования  отходов и местного сырья в строительстве / А.П. Пичугин, А.С. Денисов, В.Ф. Хританков // Строительные материалы.- 2005.- №5.-  С. 2-4.

5. Хританков В.Ф.  Гипсобетонные изделия с органическими  пористыми заполнителями / В.Ф. Хританков, Л.В. Шантина, А.С. Денисов, А.П. Пичугин // Строительные материалы. – 2006. - № 7. – С.10-11. 

6. Хританков В.Ф. Органоминеральные композиты  с  использованием торфозаполнителя / В.Ф. Хританков,  А.П. Чепайкин,  В.В. Авраменко, А.П. Пичугин // Строительные материалы. - 2006. - № 7. - С. 33-35.

7. Бердов Г.И.  Изменение структуры и свойств гипсовых смесей при введении кальцийсодержащих  природных соединений / Г.И. Бердов, Е.В. Парикова, В.Ф. Хританков // Известия вузов. Строительство. - 2006. - № 8.- С. 92-94.

8. Парикова Е.В. Влияние природных минеральных добавок на свойства гипсовых смесей / Е.В. Парикова, Г.И. Бердов, В.Ф. Хританков // Известия вузов. Строительство. - 2006. -  № 9.- С. 9-12.

9. Пичугин А.П. Эффективные  органоминеральные  бетоны с повышенными  тепло- и звукоизолирующими  свойствами / А.П. Пичугин, А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, В.В. Авраменко // Строительные материалы. -  2008. - № 5. - С. 73-75.

10. Бердов Г.И. Нанопроцессы в технологии строительных материалов / Г.И. Бердов, В.Н. Зырянова, А.Н. Машкин, В.Ф. Хританков // Строительные материалы. -  2008. - № 7. - С.76-78.

11. Гришина В.А. Использование комплексных добавок для укрепления грунтов в сельском дорожном строительстве / В.А. Гришина, В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин // Строительные материалы. - 2008. - №  10. - С. 36-38.

12. Субботин О.С. Эффективное применение энергосберегающих конструкций и материалов в малоэтажных жилых зданиях / О.С. Субботин, В.Ф. Хританков // Жилищное  строительство. - 2008. - № 12.- С. 20-23.

13. Хританков В.Ф. Оптимизация составов для защиты крупного органического заполнителя и упрочнения материалов стен / В.Ф. Хританков, А.Ю. Кудряшов, А.П. Пичугин // Строительные материалы. - 2009. -  № 3. - С. 60-63.

Cтатьи в других изданиях

14. Хританков В.Ф. Некоторые проблемы использования отходов энергетики / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин // Использование вторичных ресурсов и местных материалов в сельском строительстве: Материалы всесоюзн. научно-техн. конф. - Челябинск: 1991. - С. 126-128.

15. Хританков В.Ф.  Физико-химические процессы в органоминеральных системах на цементных связках / В.Ф. Хританков, Л.В. Пименова, А.С. Денисов, А.П. Пичугин // Повышение эффективности сельского строительства: Междунар. сб. научн. тр. - Новосибирск:  2000. - С. 126-132.

16. Хританков В.Ф. Эффективность использования местных материалов в строительстве / В.Ф. Хританков, Л.В. Пименова, А.П. Пичугин, А.П. Чепайкин // Повышение эффективности сельского строительства: Междунар. сб. научн. тр. - Новосибирск:  2000. - С. 14-17.

17. Хританков В.Ф. Структурированные золошлакобетоны на органическом заполнителе / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин,  А.С. Денисов // Экология и ресурсосбережение в материаловедении: Межд. сб. научн. тр. - Новосибирск: 2000. - С. 59-62.

18. Хританков В.Ф. Деформативные свойства легких бетонов на органоминеральных заполнителях / В.Ф. Хританков, А.С. Денисов, А.П. Пичугин // Моделирование и оптимизация композитов: Материалы межд. семинара МОК-40. -  Одесса:  2001. -  С. 123-124.

19. Кондратов А.Ф.  Моделирование параметров золошлакобетона с пространственным заполнителем / А.Ф. Кондратов, В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, А.С. Денисов // Моделирование и оптимизация композитов: Материалы межд. семинара МОК-40. -  Одесса:  2001. -  С. 98-99.

20. Хританков В.Ф. Использование торфа в гидромелиоративном строительстве / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, Л.В. Шантина // Использование отходов и местного сырья в строительстве: Межд. сб. научн. тр. - Новосибирск: РАЕН-НГАУ,  2001. - С.  69-71.

21. Синещек Г.М. Изделия из гипса с эффективными добавками / Г.М. Синещек, В.Ф. Хританков,  Л.В. Пименова, А.П. Пичугин // Использование отходов и местного сырья  в строительстве: Межд. сб. научн. тр. - Новосибирск: РАЕН-НГАУ,  2001. -  С. 29-31.

22. Хританков В.Ф.  Легкие бетоны на гранулированном торфозаполнителе / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, Л.В. Шантина // Структура и свойства искусственных конгломератов: Междунар. сб.  научн. тр. - Новосибирск: РАЕН-НГАУ,  2002-2003. - С. 76-78.

23. Хританков В.Ф. О назначении предельного напряжения в материале при воздействии сосредоточенной силы / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, А.С. Денисов // Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений Сибири и на крайнем Севере: Межвузовский сб. научн. тр. - Новосибирск:  2003. - С 27-32.

24.  Патент  РФ на изобретение № 2199501 от 27.02.2003  Золошлакобетонная смесь для приготовления золошлакобетона и способ приготовления золошлакобетонной смеси для золошлакобетона / А.П. Пичугин, А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, Л.В. Пименова. – Опубл. в Б.И. – 2003.- № 6.

25. Хританков В.Ф. Теплоизоляционные материалы на основе торфа /  В.Ф. Хританков, Г.М. Синещек, Л.В. Шантина // Современные материалы и технологии в строительстве: Юбилейный 25-ый междунар. сб. научн. тр.- Новосибирск:  РАЕН-НГАУ,  2003. - С. 89-90. 

26. Хританков В.Ф. Экономическая эффективность производства торфозаполнителя и изделий на его основе / В.Ф. Хританков, Л.В. Шантина, А.П. Чепайкин // Современные материалы и технологии в строительстве: Юбилейный 25-ый междунар. сб. научн. тр.- Новосибирск: РАЕН-НГАУ,  2003, - С. 183-185.

27. Хританков В.Ф. Реология легкобетонной смеси / В.Ф. Хританков, А.С. Денисов, А.А. Попадейкин //  Агроинженерная наука: итоги и перспективы: Матер. междунар. научно-практ. конф. - Новосибирск: 2004. - С. 90-91.

28. Хританков В.Ф. Оптимизация структуры легких бетонов с регулируемым водоцементным отношением / В.Ф. Хританков, Л.В. Шантина, А.П. Пичугин //  Моделирование и оптимизация в материаловедении: Матер. междунар. семинара МОК-43. - Одесса:  2004. - С. 113-114.

29. Денисов А.С. Вопросы реологии бетонной смеси / А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин // Моделирование и оптимизация в материаловедении: Матер. междунар. семинара МОК-44. - Одесса: 2005. - С. 98-99.

30. Еранов В.Ю. Принципы статического расчета универсальной опалубки для монолитного домостроения / В. Ю. Еранов, В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, В.Н. Терешин // Моделирование и оптимизация в материаловедении: Матер. междунар. семинара МОК-44. - Одесса: 2005. - С. 164-165.

31. Хританков В.Ф. Оптимизация структуры легких бетонов с регулируемым водоцементным отношением / В.Ф. Хританков, А.П. Чепайкин, Л.В. Шантина // Экология и ресурсосберегающие технологии в строительном материаловедении: Междунар. сб. научн. тр. - Новосибирск:  НГАУ-РАЕН,  2005. - С. 33-34.

32. Денисов А.С.  К вопросу обеспечения качества пористых заполнителей для легкого бетона / А.С. Денисов, А.П. Чепайкин, А.П. Пичугин, В.Ф. Хританков // Материалы и  изделия для ремонта и строительства: Междунар. сб. научн. тр. - Новосибирск: НГАУ-РАЕН,  2006. - С. 79-83.

33. Хританков В.Ф. Эффективное использование минеральных порошков для повышения адгезионной способности заполнителей / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, В.В. Конарева, И.К. Язиков // Экология и ресурсосберегающие технологии в строительном материаловедении: Междунар. сб. научн. тр. -  Новосибирск: НГАУ-РАЕН,  2005. - С. 203-205.

34. Денисов А.С. Экономическая эффективность обеспечения качества пористых заполнителей для производства легкого бетона / А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, В.В. Авраменко, А.П. Пичугин // Компьютерное материаловедение и обеспечение качества: Материалы к 45-му междунар. семинару по моделированию и оптимиз. композитов, МОК-45. - Одесса:  2006. - С. 109-110.

35. Хританков В.Ф. Диффузионные процессы пропитки строительных материалов полимерами / В.Ф. Хританков, А.Ю. Кудряшов, А.П. Пичугин // Вестник Одесской государственной академии строительства и архитектуры. – Вып. 23. - Одесса:  2006. - С. 143-145.

36.  Хританков В.Ф. Пути повышения прочности искусственных конгломератов/ В.Ф.. Хританков, А.П. Пичугин, А.С. Денисов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2006. - № 4. - С. 111-116.

37. Хританков В.Ф. Моделирование структуры легкого бетона на пористых заполнителях / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, А.С. Денисов // Компьютерное материаловедение и обеспечение качества: Матер. к 46-му междунар. семинару по моделиров. и оптимизации композитов. - МОК-46. - Одесса:  2007. - С. 132-133.

38. Авраменко В.В. Изучение напряженного состояния легких бетонов при увлажнении и высушивании / В.В. Авраменко, А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин // Прогрессивные материалы и технологии в современном строительстве: Междунар. сб. научн. тр. - Новосибирск: НГАУ-РАЕН,  2008. - С. 51-54.

39. Хританков В.Ф. К вопросу обеспечения долговечности стен из легких органоминеральных бетонов / В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин, А.С. Денисов, В.В. Авраменко // Прогрессивные материалы и технологии в современном строительстве: Междунар. сб. научн. тр. - Новосибирск: НГАУ-РАЕН,  2008. - С. 137-142.

40. Денисов А.С. Разработка структурной модели легкого крупнопористого бетона / А.С. Денисов, А.П. Пичугин, В.Ф. Хританков // Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии: Матер. к 47-му междунар. семинару по моделированию и оптимизации композитов. - МОК-47. - Одесса:  2008. - С. 181-182.

41. Авраменко В.В.  К расчету состава легкого камышебетона / В.В. Авраменко, В.Ф. Хританков, А.П. Пичугин // Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии: Матер. к 47-му междунар. семинару по моделиров. и оптимизации композитов. - МОК-47. - Одесса:  2008. - С. 183-184.

42. Хританков В.Ф.  О путях обеспечения качества строительных материалов в современных условиях / В.Ф. Хританков, А.С. Денисов, Е.О. Акутин, А.П. Пичугин // Использование отходов и местного сырья для производства строительных материалов и конструкций: Междунар. сб. научн. тр.- Новосибирск: НГАУ-РАЕН,  2008. - С. 80-85.

43. Хританков В.Ф.  Статический расчет полимерсиликатной защитной оболочки торфяных гранул / В.Ф. Хританков, В.В. Авраменко, А.Ю.  Кудряшов, А.П. Пичугин // Использование отходов и местного сырья для производства строительных материалов и конструкций: Междунар. сб. научн. тр. -  Новосибирск: НГАУ-РАЕН, 2008.- С. 86-91.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.