Введение к работе
Актуальность проблемы заключается в необходимости повышения долговечности минеральных композиционных строительных материалов и изделий, образованных, в том числе, из массивного основного и менее массивного покрывающего слоев, поскольку значительная часть современных строительных материалов и изделий, составляющих конструктивные решения зданий и сооружений имеют именно такое строение. Монолитность покрывающего защитного или цементирующего слоя с основным материалом обеспечивает долговечность ограждающей слоистой конструкции, например, материал стены - штукатурный слой, бетон - керамическая плитка на цементирующем растворе и т.п.
В суровых условиях Западной Сибири и Севера данные конструкции подвергаются значительным колебаниям температуры и влажности. Например, в Западной Сибири среднегодовая температура составляет минус 0,1 С, 80... 100 раз температура воздуха переходит через ноль с амплитудой до 40С. На южной солнечной стороне фасадов зданий температурные перепады достигают 50С (на Севере до 100С по данным профессора Л. И. Холоповой). Все это не способствует обеспечению гарантированной надежности и архитектурной выразительности отделки и самих конструкций.
В бетонах, как своеобразных композитах полиструктурного строения, на макроуровне крупный заполнитель сцементирован (склеен) слоями матричного материала (раствором); мелкий заполнитель — цементным камнем. В самом цементном камне уже на микроуровне, не вступившие в химическое взаимодействие частицы цемента (ядра), играющие роль наполнителя, и искусственно введенные наполнители сцементированы (склеены) слоями продуктов гидратации. Между цементным камнем и заполнителем также образуется микропрослойка разной толщины в зависимости от вида заполнителя. Компоненты структуры бетона весьма неоднородны по физико-механическим свойствам, наличию пор и микротрещин.
Взаимодействие составляющих этих композиций с учётом деформативных, прочностных и других характеристик в процессе влажностных, температурных и механических деформаций обусловливает их монолитность и долговечность. Значительное влияние на количественные показатели этих закономерностей оказывают используемые в данных системах нетрадициоїшьіе материалы — техногенные продукты.
Работа выполнялась по направлению «Рациональное комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов в народном хозяйстве на
1987...1990 гг. и на период до 2000 г.», отраслевой программы «Стройпрогресс - 2000», отраслевых республиканских подпрограмм «Зола» и «Супер» по планам научно - исследовательских работ, утвержденных Минтяжстроем и Минвузом КазССР на 1986...1990 гг. для отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Новые строительные материалы и конструкции», договорами о творческом содружестве между Карагандинским техническим университетам и МГСУ (г. Москва), Павлодарским государственным университетом и НИИЖБ (г. Москва).
Цель работы заключается в разработке рецептурных и технологичесюгх принципов обеспечения монолитности минеральных строительных композитов слоистой и конгломератной структуры.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:
установить закономерности нарушения поверхностной и объемной монолитности строительных композитов;
обосновать расчетные модели и методики изучения деформативных характеристик минеральных строительных материалов на стадиях их производства и эксплуатации;
разработать алгоритм по формированию критериев оценки монолитности строительных композитов;
установить влияние технологических параметров на сохранение поверхностной и объемной целостности (монолитности) материалов;
разработать составы и технологические показатели производства композиционных минеральных строительных материалов из техногенных продуктов с гарантированной эксплуатационной монолитностью (долговечностью).
Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей нарушения монолитности минеральных строительных композитов в процессе их производства и эксплуатации и разработке теории её обеспечения.
Установлено влияние состава, структуры строительного композита на его монолитность.
Выявлен диапазон предельных состояний в строительном композите, обеспечивающий его технологическую и эксплуатационную монолитность. Для слоистых изделий при растрескивании он составляет є<Єпр, при отслаивании Я < ER^ / GRp; для конгломератных Ктр<1.
Разработана технологическая номограмма подбора состава, обеспечивающего монолитность бетона и раствора в диапазоне следующих параметров: Кр^з от 0,5 до 1,6, s и р от ноля до единицы, S=s+p; С от ноля до единицы.
Систематизирован характер технологических и эксплуатационных дефектов строительных композитов слоистой и конгломератной структуры и разработан алгоритм обеспечения монолитности таких структур.
Установлено, что монолитность минеральных строительных конгломератов обеспечивается рецептурой ингредиентов при использовании как традиционных сырьевых материалов, так и техногенных продуктов, включая пластификаторы и комплексные добавки на их основе.
Предложены оригинальные авторские методики, обеспечивающие объективный контроль за процессом структурообразования в строительных композитах с учетом деформативных изменений.
Разработаны рецептурные критерии обеспечения монолитности бетонов по сечению изделий (образцов) на стадии тепловлажностной обработки.
Установлены оптимальные величины толщины различных покрытий строительных конгломератов обеспечивающие им поверхностную и объемную монолитность (для цементно-песчаного раствора - менее 0,5 см, для цементного - менее 0,3 см).
Личное участие автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим соискателем, либо при его непосредственном участии или иод его руководством. Автору принадлежит постановка задач, определение путей их решений, разработка методологии исследований, обоснование результатов, выявление закономерностей и формулировка основных выводов, личное участие в разработке технологий и их производственном опробовании и реализации.
Автор защищает: научные основы и теоретические положения прогнозирования и обеспечения монолитности минеральных строительных композитов, в основном образованных основанием и покрывающими защитными слоями;
технологию обеспечения монолитности строительных композитов в зависимости от деформативных, прочностных и масштабных характеристик составляющих её элементов;
технологические и конструктивные решепия монолитных многослойных изделий с учетом характеристик исходных материалов, методов производства строительных работ и эксплуатационных факторов;
авторские методики исследования строительных композитов, предложенные для этого приборы и критерии оценки мероприятий по монолитности;
составы растворов, бетонов, комплексных добавок и результаты их опытных и опытно - промышленных испытаний, подтверждающих теоретические положения обеспечения монолитности минеральных строительных композитов;
технологические принципы производства трещиностойких строительных материалов и изделий, в т.ч. изготовленных с применением техногенных продуктов.
Практическая ценность работы состоит в разработке методов прогнозирования монолитности строительных композитов, разработке и создании монолитных композитов в строительстве, которые базируются на опубликованных автором научных работах и Рекомендациях по выбору монолитной отделки. Практическую значимость имеют новые методы и приборы для исследования показателей монолитности композиционных материалов, аналитические зависимости для расчета шага трещин их протяженности, ширины раскрытия и др. Полученные новые данные по монолитности многослойных систем согласуются с общей теорией монолитности бетонов и нашли практическое применение при разработке технологий по производству трещиностойких строительных материалов и изделий, в том числе с применением техногенных продуктов. Разработаны и утверждены технические условия: «Бетон на основе золошлаковой смеси и бокситового шлама», технические условия: «Стеновые камни на основе золошлаковой смеси и бокситового шлама», «Технологический регламент производства стеновых камней на основе золошлаковой смеси и бокситового шлама», «Технологический регламент изготовления наружных стеновых блоков из поризованного шлакобетона», изданы в 1990 г. совместно с НИИЖБ «Рекомендации по применению бокситовых шламов глиноземного производства в бетонах и строительных растворах».
Результаты исследований используются в учебном процессе СибАДИ при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам: «Научные исследования в технологии производства бетона и железобетона», «Современные отделочные материалы», «Технология производства отделочных материалов»; в НГАСУ при чтении лекций по курсу: «Отделочные материалы».
Методология работы основана на теоретических положениях в области технологии композиционных строительных материалов и изделий из природного и техногенного сырья, разработанных СВ. Алексанровским, Л.А. Алимовым, Ю.А. Баженовым, В.В. Ворониным, Г.И. Горчаковым, И.А. Ивановым, Г.И. Книпшой, А.П. Меркиным, Ю.А. Нилендером, Л.П. Ориентлихер, И.А. Рыбьевым, B.C. Соломатовым, В.М. Хрулёвым, З.Н. Цилосани, СВ. Шестоперовым и др.
В проводимых исследованиях применялись методики и приборы, разработанные на кафедре Строительных материалов МГСУ, лаборатории легких бетонов НИИЖБ, оборудование кафедры Технологии строительных материалов и изделий Карагандинского технического университета и аттестованные оборудование и методики аккредитованной Научно-
исследовательской и испытательной лаборатории Павлодарского государственного университета. При решении поставленных задач использовались методы планирования эксперимента и вычислительные машины.
Достоверность теоретических положений и объективность полученных данных подтверждается экспериментальными исследованиями и применением современного научного и лабораторного оборудования, авторских методик, современных методов расчета и анализа погрешностей, возникающих при расчётах, удовлетворительным совпадением полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Реализация результатов исследований: изготовлены многослойные наружные стеновые панели, плиты перекрытий и внутренние стеновые панели ДСК г. Темиртау с учетом разработанных рекомендаций по предупреждению технологических трещин и усовершенствованию технологии заводского домостроения; на основе отходов известняка Южно-Топарского карьера разработана технология и изготовлена опытная партия облицовочных плит (200 м2) высокой степени трещиностойкости; применены растворы и бетоны для полов (2940 м2) свиноводческого комплекса «Волынский», приготовленные с учетом Рекомендаций по проектированию составов монолитной отделки; составлен рабочий проект по приготовлению и использованию зольного концентрата с целью экономии 20...35% цемента и улучшения качественных характеристик продукции завода ЖБИиК п. Топар; освоено промышленное производство трешиностойких легких и тяжелых бетонов на основе комплексного использования вторичного сырья и химдобавок с существенным снижением их стоимости; разработан технологический регламент и изготовлена опытная партия блоков из поризованного шлакобетона, позволяющие снизить стоимость 1 м2 стены на 38 %; выпущена опытная партия стеновых камней по ГОСТ 6133-84 на основе отходов ТЭЦ и ПАЗ с последующей разработкой и утверждением технических условий на бетон, стеновые камни и технологический регламент производства стеновых камней (Российский патент «Сырьевая смесь для изготовления мелкоштучных изделий»), выпущена опытная партия утолщенного полнотелого кирпича, изготовленного на основе золошлаковых отходов ТЭЦ-1 и бокситовых шламов ПАЗ (патент, на «Сырьевую смесь для изготовления мелкоштучных камней») с последующей разработкой технологического регламента.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на XXTV Международной конференции по бетону и железобетону «Кавказ-92» 1992 г.; областной научно-технической конференции «Наука и новая технология в развитии Павлодар - Экибастузкого региона» (Павлодар 1993
г.); международной встрече «Ресурсы - 90» по проблемам охраны атмосферы от выбросов тепловых электростанций и комплексного использования золошлаковых отходов (т/к «Дагомыс», 1990 г.); международной научно - технической конференции «Проблемы комплексного развития регионов Казахстана» (г. Павлодар, 1996 г.) на расширенном заседании кафедры «Производство строительных материалов, изделии и конструкций» факультета ПГС Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) 2000 г. Результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР и отмечены серебряной медалью (постановление Главного комитета ВДНХ СССР N29-Н от 15 мая 1991 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Результаты исследований изложены на 309 страницах основного текста, включающего 49 рисунков, 58 таблиц, библиографию 200 наименований, объем приложений -104 страницы.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 34 статьях и тезисах, защищены 12 авторскими свидетельствами на изобретения, одним патентом Российской Федерации и патентом республики Казахстан.