Введение к работе
Актуальность работы. Основными ограждающими конструкциями, применяемыми в строительстве, являются стеновые панели из керамзи-тобетона. Однако их качественные показатели, в первую очередь теплозащитные, зачастую находятся на неудовлетворительном уровне.
В первую очередь это связано с тем, что выпускаемый в России керамзитовый гравий имеет в большішстве случаев насыпную плотность порядка 500...600 кг/м' и, как следствие, неудовлетворительную теплопроводность. Поэтому при повышении требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций производство однослойных наружных стеновых панелей в прежнем виде, даже при всех новациях, на выпускаемом керамзите не представляется возможным.
Однако ошибочным будет и не считаться с другой реальноегью - в России создана мощная база керамзитовой промышленности (построены десятки заводов, созданы и работают коллективы высококвалифицированных специалистов и т. п.).Постросна и успешно работает мощная база строительной индустрии в виде заводов сборного железобетона, которая ориентирована на применение керамзитового гравия. В этих условиях ставить вопрос о ликвидации керамзитовой промышленности следует считать технически и экономически не оправданным.
В современных условиях более правильным следует считать направление по видоизменению и улучшению свойств керамзита, выпускаемого промышленностью, а также определению основных путей его возможного применения.
Одним из путей решения данной проблемы является организация производства особо легкого керамзита с насыпной плотностью около 200 кг/м . На таком керамзите с применением новых технологических решений по уменьшению теплопроводности бетона возможна организация производства эффективных ограждающих конструкций.
Производство особо легкого керамзитового гравия будет иметь ряд технологических особенностей, касающихся его свойств, свойств сырья и технологии производства. Изучение этих вопросов является одной из целей настоящей работы.
История развития легких бетонов с учетом их массового применения в строительстве насчитывает всего несколько десятков лет. Между тем отличия легких бетонов от традиционных видов обычного бетона весьма существенна. Поэтому еще одной из целей предполагаемых исследований будет рассмотрение особенностей свойств легких бетонов с учетом их широкого внедрения в строительство.
Намечается так же рассмотреть ряд принципиально новых ограждающих конструкций и технологических особенностей их изготовления и применения.
Это касается технологии приготовления беспесчаных керамзитобетонных смесей и изготовления на их основе однослойных наружных панелей с улуч-
шейными теплотехническими характеристиками на базе особо легкого керамзитового гравия с насыпной плотностью 180...220 кг/м\
Данная проблема изучалась в соответствие с поручением Госстроя России по теме "Разработка технологии и исследование особенностей беспесчаного керамзита пенобетона для наружных ограждающих конструкций" (договор 5-И-4П/93от1.06.93г.).
Эффективность данной технологии обусловлена применением нового устойчивого силикатного пенообразователя ПО - 6К (производство ПО "Салаватнефтеоргсинтез"). При этом для приготовления керамзитопенобето-нов возможно использование стандартного оборудования практически без его переделки. Мелкий заполнитель полностью исключается из состава бетона. Применение керашитобетона позволяет уменьшить толщину однослойных стеновых панелей до 55...60 см. Это делает их конкурентоспособными со стенами из кирпича и трехслойных панелей, отличающихся большой материалоемкостью, трудоемкостью и стоимостью.
В связи с постановлением Совета Министров СССР от 1 1.09.72 г. и распоряжением Министерства промышленности строительных материалов СССР № 17 - 30 - 162 от 25 января 1973 г. было поручено провести научно-исследовательскую работу по созданию материала, отвечающего специальным заданным техническим требованиям.
В соответствии с диаіраммой "напряжения - деформации", по которой при испытании в принципе упругого материала в обойме, каким является бетон, должны были наблюдаться значительные пластические деформации. Созданию такого материала, исследованию его свойств и технологии изготовления посвящена еще одна часть предлагаемой работы.
При этом можно отметить, что в результате проведенных исследований удалось установить, что таким материалом является крупнопористый бетон на основе особо легкого керамзитового гравия с насыпной плотностью 180...220 кг/м3. Этот новый материал в принципе также можно отнести к ограждающим конструкциям.
Одной из нерешенных проблем современного строительства является возведение теплотрасс. Наиболее перспектив им путем снижения стоимости прокладки, объема трудозатрат и сокращения сроков строительства является применение в тепловых сетях керамзитобетонных лотков, позволяющих полностью отказаться от применения дорогостоящей и трудоемкой подвесной теплоизоляции. Использование керамзитобетона позволяет совместить конструктивные и теплозащитные функции материала.
Применение керамзитобетона в качестве ограждающей конструкции для условий подземной эксплуатации с учетом воздействия повышенных температур и агрессивных фунтовых вод потребовало проведения комплекса специальных исследований, содержание которых также излагается в настоящей работе.
Имеется еще целый ряд конструкций из керамзитобетона, использование которых в строительстве дает значительный эффект. Это относится к монолитному строительству, при котором наилучшим образам сочетаются тепло-
защитные и конструктивные функции керамзитобетона для его применения в ограждающих конструкциях наружных и в несущих конструкциях внутренних стен.
Имеется положительный опыт использования керамзитобетона в полах животноводческих помещений, где удалось получить теплые, долговечные и прочные конструкции.
Накоплен ощутимый положительный опыт применения керамзитобетона в качестве жаростойкого материала, в конструкциях, подвергающихся агрессивному воздействию (химические и нефтехимические производства, агрессивные грунтовые воды и т.п.).
Приведенные данные позволяют говорить о том, что постановка вопроса о целесообразности резкого уменьшения объема производства керамзита и керамзитобетона является преждевременной.
*лль рйиотьк разработка теоретических основ и технологии изготовления некоторых видов эффективных ограждающих конструкций различного назначения на основе особо легкого керамзитового гравия.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
-
Установить теоретические и практические особенности получения особо легкою керамзитового гравия с плотностью около 200 кг/м". Разработать »i осуществить на действующем заводе промышленную линию по производству таїсого материхта Создать нормативную базу производства особо легкого керамзитового гравия.
-
Создать принципиально новый вид керамзитобетона на основе особо лсг~ адго керамзитового гравия, цемента п синтетического пенообразователя ПО 6 К без мелкого заполнителя. Подробно изучить его особенности и свойства, осуществить опытное производство однослойных стеновых панелей на основе керамзитобетона и его промышленное внедрение.
-
Разработать новый вид материала на основе крупнопористого керамзитобетона со специальными свойствами. Этот в принципе упругий материал в соответствии с диаграммой "напряжение - деформация" при испытании его в ооойые должен иметь довольно значительные пластические деформации.
Изучить свойства материала, разработать и практически осуществить на
действующем заводе
его промышленное производство.
-
Создать принципиально новую конструкцию лотков теплотрасс на основе керамзитобетона без подвесной теплоизоляции трубопроводов. Изучить особенности материала для таких лотков, условия их эксплуатации, конструирования и расчета. Осуществить промышленное внедрение в нескольких регионах страны.
-
Разработать теоретические основы улучшения основных параметров керамзита и керамзитобетона таких как теплопроводность, звукоизоляция, прочность, зерновой состав заполнителей, химическая стойкость, долговечность и содержание сернистых и сернокислых соединений.
Научная новизна работы. Установлена и научно обоснована корреляционная связь и функциональная зависимость насыпной плотности керамзитового гравия от химико-минералогического и гранулометрического состава глинистого сырья.
Показано, что для получения эффективных ограждающих конструкций как по требованиям теплопроводности для однослойных стеновых конструкций, так и по требованиям деформативности для специального материала необходим особо легкий керамзитовый гравий с плотностью 200...250 кг/м в первом случае и 180...220 кг/м3 - во втором. Ранее подобный керамзит в промышленных масштабах в стране не производился. Изучался комплекс вопросов, включающий подбор состава шихты, температурно-временных режимов термоподготовки и обжига сырцовых гранул тугоплавким порошком. Исследовалось также влияние характеристик сырья, степени его переработки, гра-
HyjuiiXxiri, ivmnw-paJ Jfy*, XdfjaiY il-pa w/iuii a n VA^j«rtVj,viiirUi, « кіллп- дууїкіл utr*
раметров производства керамзита.
На основании выполненных исследований была разработана технология производства особо легкого керамзитового гравия, определены основные параметры его производства, осуществлено получение особо легкого керамзитового гравия в лабораторных и опытно-промышленных условиях.
Был проведен необходимый комплекс проектных работ, работ по изготовлению оборудования для выпуска лабораторных, опытно-промышленных и промышленных партий керамзитового гравия, выполнены соответствующие наладочные работы, проведена реконструкция завода и, наконец, в промышленных масштабах был организован выпуск керамзитового гравия.
Разработан новый материал для ограждающих стеновых конструкций - керамзитобетон на основе пенообразователя ПО - 6К без мелкого заполнителя. Обоснована возможность и целесообразность его получения в лабораторных и производственных условиях. Изучены его основные физико-механические свойства, долговечность; закономерности формирования оптимальной структуры бетона взаимосвязь между плотностью и прочностью. Разработаны примерные составы бетона, основные технологические параметры и особенности его изготовления в лабораторных и промышленных условиях.
Обосновываются преимущества однослойных стеновых панелей из керам-зитобетона, удовлетворяющих требованиям СНиП. Дается примерный расчет таких панелей, имеющих необходимые теплоизолирующие свойства.
С целью реализации теоретических положений и результатов экспериментальных исследований осуществлен экспериментальный и промышленный выпуск однослойных керамзитобетонных панелей на целом ряде предприятий.
Получен материал на основе крупнопористого керамзитобетона и особо легкого керамзитового гравия, который отвечает заданной диаграмме "напряжения - деформации" и может использоваться для создания специального материала в соответствии с заданными техническими требованиями. Кроме обычных и специальных свойств бетона изучались его следующие
свойства: водопоглощение крупнопористого керамзитобетона в воде при ее капиллярном подсосе, в условиях гидростатического давления. Исследовались также долговечность бетона, изменение его деформативных характеристик, однородность, влияние длительного воздействия водной среды на механические характеристики крупнопористого керамзитобетона и длительная статическая прочность керамзитобетона под нагрузкой.
Проведенные исследования деформативных свойств крупнопористого керамзитобетона и его составляющих позволили выявить принципиальное различие между характером деформирования плотного и крупнопористого бетона. Получены данные о коэффициентах концентрации напряжений и зависимость модуля упругости от свойств цементного камня.
Осуществлены монтаж и наладка новой технологической линии по выпуску специального керамзита на керамзитовом заводе и по выпуску блоков со специальными свойствами на заводе ЖБИ. Освоено производство этих мате-
j/#-ici.*\'b і tiapaviM сіп d( n^uvjAO,4,tlI>ibiv Klrivi py a tuonniv n nuprtiainonfiii. /.{*.>i*yrtivH-
ты.
Разработаны керамзитобетонные логки теплотрасс, осуществляемые без подвесной теплоизоляции трубопроводов и также относящиеся к ограждающим конструкциям Совмещение в подобных лотках конструктивных и теплоизоляционных функций керамзитобетона позволило значительно сократить стоимость строительства теплотрасс повысить их долговечность и производительность труда при возведении.
Проведен необходимый комплекс исследований, связанных с эксплуатацией керамзитобетона при повышенных температурах, в условиях возможной аїресеии фунтовых вод; исследовапась водонепроницаемость лотков и коррозия трубопроводов.
Разработаны для различных сочетаний трубопроводов на основания существующей типовой серии лотков из тяжелого бетона тесть типов керамзито-бетонных лотков. Предложены методы расчета лотков, в которых учитывалась изолирующая способность воздушной прослойки лотка. Расчеты проверялись в процессе испытаний и длительной эксплуатации опытно-промышленных и промышленных участков теплотрасс в Самаре, Кишиневе, Сызрани и др. Систематическое наблюдение за работой этих участков в течение нескольких лет подтвердило, что суммарные тепловые потери ниже нормативных.
Разработаны ТУ на подобные лотки.
Приводятся теоретические положения по повышению эффективности и улучшению качества керамзита и керамзитобетона за счет более детального исследования их особенностей и рационального применения. Это касается в частности изучения роли фазового состава керамзита в теплопроводности бетона, особенностей звукоизоляции легких бетонов, способов повышения прочности керамзита и керамзитобетона, роли прочности песка в повышении прочности бетона, разработке методики оценки химической стойкости и долговечности керамзитобетона, роли сернистых и сернокислых соедгаїений в долговечности легких бетонов и т. п.
Проведенные исследования позволили разработать новые или уточнять существующие требования по фазовому составу керамзита, его зерновому составу, допустимому содержанию сернистых и сернокислых соединений в керамзите, содержанию несгоревшего топлива в керамзитовом песке "кипящего слоя" и золах теплоэлектростанций, роли показателя прочности керамзита и песка и т. п. Эти изменения были включены в действующие нормативные документы такие как ГОСТы, ТУ, МРТУ и др.
Практическое значение. Научно обоснована и практически осуществлена на действующем заводе технология получения особо легкого керамзита с насыпной плотностью 180. ..220 кг/м3.
Установлена корреляционная связь и функциональная зависимость насыпной плотности керамзитового гравия от химико-минералогического и гранулометрического состава глинистого сырья.
І юказако, что из сырья, характеризующегося высоким содержанием глинистой фракции (65.,.73 %) и AI2O3 + ТІО2 (18...22 %), путем варьирования органическими и железистыми составляющими в шихте можно изготовить особо легкий керамзит с насыпной плотностью около 200 кг/м3 при обязательном соблюдении условий ведения процесса термообработки по оптимальному темперагурно-временному режиму.
Разработана технологическая схема производства особо легкого керамзита., на базе которой осуществлена реконструкция Безымянского опытного керамзитового завода. Она включила, в частности, проектирование, изготовление и монтаж устройства для ввода опудривагощего порошка и гранулятора для гюлучешія мерных сырцовых гранул. В процессе изготовления керамзита была скорректирована совместная работа пальцев крупного и тонкого помола, а также фильтрующего пресса с решеткой со щелями порядка 10 мм.
Разработан новый вид керамзитобетони на базе особо легкого керамзита, цемента и пенообразующей добавки ПО - 6К, который позволяет выпускать однослойные стеновые панели, удовлетворяющие требованиям СНиП "Строительная теплотехника". Применение такого бетона позволяет на J50...4UO кг/ы' снизить его плотность и соответственно теплопроводность, за счет исключения пористого песка значительно уменьшить стоимость, упростить технологию. Максимальное насыщение керамзитобетона, поризованно-го пеной, крупным пористым заполнителем обеспечивает слитность его структуры, требуемые водонепроницаемость и долговечность.
Разработана технология производства керамзитопенобетонных стеновых панелей и осуществлено их внедрение в нескольких регионах страны. Показано, что применение подобных панелей значительно экономичнее и технологичнее трехслойных, позволяет избежать многих недостатков, характерных для существующих стеновых ограждений.
Рекомендуются конструкции панелей, улучшающие их теплофизические показатели. В частности, предлагается решение керамзитопенобетонной панели с термовкладышами, которые можно изготовлять из крушюпористого
керамзитобетона со связкой из вспененного цементного камня или из других материалов.
Для изготовления изделий специального назначения со свойствами, отвечающими заданной диаграмме "напряжения - деформации" при испытании в обойме, предложен крупнопористый керамзитобетон. Показано, что бетон с необходимыми характеристиками может быть изготовлен на особо легком керамзитовом гравии с насыпной плотностью 180...220 кг/м', прочностью 0,3...0,5 МПа, требуемым зерновым составом, коэффициентом формы и другими характеристиками.
Была разработана и практически осуществлена на Безымянском опытном керамзитовом заводе технология его производства.
Механические характеристики крупнопористого керамзитобетона при испытании в обойме в соответствии с диаграммой "напряжения - деформации" должны были соответствовать следующим значениям: предел упругости материала — 0,5. 0,' ivlns*
- начало упрочнения материала - 1,0... 1,2 МПа;
- относительная деформация, соответствующая пределу упругости
материала -0,05...0,08;
относительная деформацій, соответствутощзя началу упрочнения материала -0,27...0,30.
Изучались особенности крупнопористого керамзитобетона, связанного с длительным храпением в воде, влиянием агрессивных сред, ролью коэффициента форма керамзита, величинами ползучести, усадки и набухати.
Рассмотрена с точки зрения теории упругости модель крупнопористого бетона со специальными свойствами. С помощью метода конечных элементов исследовалось его напряженно - деформированное состояние, на базе полученных экспериментальных данных вычислялся модуль упругости бегона.
Разработана технология производства блоков из крупнопористого бетона, которая была реализована в промышленном масштабе на действующем заводе ЖБИ в г. Воскресенске Московской области.
Предложена конструкция теплотрасс с лотками из керамзитобетона. Совмещение консгруктивных и теплозащитных функций керамзитобетона позволяет отказаться от устройства специальной теплоизоляции. Это позволяет в значительной степени снизить стоимость теплотрасс, значительно повысить их долговечность, увеличить производительность труда и т.п.
Изучены особетгости эксплуатации подобных теплотрасс, связанные с работой при повышенных температурах, в условиях подземной эксплуатации с возможной агрессией грунтовых вод и т.п. С применением ЭВМ разработан расчет теплотрасс, учитывающий изоляцию от воздуха, находящегося в канале.
Рекомендуются конструкции керамзитобетонных лотков теплотрасс. Осу-ществлено их внедрение в нескольких регионах страны. Разработана нормативная база теплотрасс с подобными лотками.
На основании, изучения особенностей теплоизоляции и звукоизоляции керамзитобетона, его прочностных свойств, химической стойкости и долговеч-
пости, влияния сернистых и сернокислых соединений в керамзите, содержания несгоревшего топлива в песке печи "кипящего слоя" и в золах теплоэлектростанций удалось выработать технические требования, которые вошли в действующие ГОСТы, ТУ, МРТУ и другие нормативные и инструктивные документы. Проведенные работы значительно расширили сырьевую базу для производства керамзита, улучшіши качество керамзитобетона в направлении повышения его прочности, уменьшения теплопроводности, улучшения эксплуатационных показателей, экономии на 20...30% расхода цемента и т. п.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы послуясили основой для разработки многочисленных нормативных и инструктивных документов: ГОСТа 9759-71 "Гравий керамзитовый", ГОСТа 9759-76 "Гравий и песок керамзитовые", ГОСТа 9758-77 "Заполнители пористые неорганические для легких бетонов. Общие технические требования", ГОСТа 9758-86 "Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний", ТУ-69-РСФСР-66-75 "Лотки теплотрасс керамзитобетошше", ТУ-21-31-17-76 "Блоки из крупнопористого керамзитобетона со специальными свойствами", "Инструкция по применению зол теплоэлектростанции в качестве мелкого заполнителя", МРТУ 21-21-26 "Межреспубликанские технические условия на дробленный керамзитовый песок для легких бетонов", "Рекомендации по выбору крупных пористых заполнителей для конструктивных легких бетонов марок 150.. .500", ТУ-21-РСФСР-581-72 "Технические условия на песок керамзитовый, получаемый в печах "кипящего слоя" и др.
Результаты работы по внедрению керамзитопенобетонных стеновых панелей нашли примените более чем на 15 предприятиях страны. В частности они были внедрены ка Тольяттинском заводе ЖБИ, Самарском заводе КЖИ - 81, Астраханском заводе КПД и др.
Результаты работы по изготовлению особо легкого керамзитового гравия внедрены на Безымянском опытном керамзитовом заводе, а по производству блоков из крупнопористого керамзитобетона со специальными свойствами -на Воскресенском заводе ЖБИ.
Результаты работ по внедрению керамзитобетонных лотков теплотрасс осуществлены в Самарской области, Молдавии и многих других регионах страны.
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290600 "Производство строительных материалов, изделий и конструкций", что нашло отражение в учебном пособии для вузов "Керамзит и керамзитобетон", допущенного "Ассоциацией строительных высших учебных заведений" при Комитете по высшей школе Министерства наук, высшей школы и технической политики РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 290600 - "Производство строительных материалов, изделий и конструкций" (реш. № 102 - 12/186 от 23.04.93 г. - 285 с),
монографии "Ограждающие конструкции из керамзитобетона", Самара, 1997 г., 423 с, учебном пособии "Проектирование предприятий строительной индустрии", Самара, 1999 г., 814 с, учебном пособии "Управление качеством продукции стройиндустрии", Самара, 1997 г., 327 с.; .монографии "Повышение эффективности и улучшения качества ограждающих конструкций из керамзитобетона", Самара, 1990 г., 139 с. и др.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на международных, всесоюзных и республиканских конференциях, в том числе: Ш Всесоюзной конференции по легким бетонам (М., 1985), Всесоюзном научном семинаре "Повышение водонепроницаемости и долговечности изделий из легкого бетона для ограждающих конструкций" (Тбилиси, 1988 г.), Республиканской научно-практической конференции "Утилизация промышленных отходов для производства экологически чистых и эффективных строительных, материалов" (Ровно, 1991 г.), Конференции "Обезвреживание и утилизация твердых отходов" (Пенза, 1991 г.), Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии" (Белгород, 1991 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Использование вторичных ресурсов и местных материалов в сельском строительстве''' (Челябинск, 1991 г.), Международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения" (Самара, І995г), Региональной научію-техітческой конференции "Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья" (Тольятти, 1999 г.) и многих др.
Публикация. Материалы диссертации опубликованы в 197 работах, 5 монографиях. Новизна технических решений подтверждена пятью авторскими свидетельствами на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на Т12 страницах машинописного текста, включающего 54 таблицы и 54 рисунка, списка литературы из .218 наименований, .3 приложений.
