Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Легкие бетоны и факторы, определяющие их свойства 9
1.1.1 Классификация, легких бетонов 9
1.1.2. Бетоны на основе растительных отходов 13
1.2. Использование местных сырьевых ресурсов в строительстве 18
1.2.1. Растительное сырьё 18
1.2.2. Минеральные отходы 26
1.3. Процессы структурообразования в бетонах с использованием золошлаковых смесей и органического заполнителя 32
1.4. Постановка задач исследований 39
Выводы по главе 1 42
Глава 2: Материалы и методы исследований 43
2.1. Характеристика материалов, принятых для исследований 43
2.1.1. Отходы, и сырье растительного происхождения 43
2.1.2: Золошлаковая смесь 45
2.1.3. Защитные покрытия соломы и камыша 48
2.2. Методика изготовления образцов и проведения испытаний 52
2.3. Методы математического планирования и обработки результатов исследований 54
Выводы по главе 2 57
Глава 3. Разработка составов легких органоминеральных бетонов и изучение их основных свойств 58
3.1. Разработка способа получения гранулированного заполните ля из камыша и соломы 58
3.2. Выбор составов защитных композиций для камыша и Соломы 64
3.3. Снижение открытой пористости органического заполнителя 76
3.4. Оптимизация состава легкого бетона на гранулированном растительном заполнителе 79
3.5. Изучение свойств легкого бетона на гранулированном растительном заполнителе 85
Выводы по главе 3 91
Глава 4. Изучение процесса формирования структуры и эксплуатационные свойства легкого бетона с заполнителем из растительного сырья 92
4.1. Изучение механизма демпфированиям легком бетоне на органических заполнителях 92
4:21 Изучение адгезии полимерсиликатной защитной композиции к органическому заполнителю 101
4.3. Исследования структурных превращений в органоминеральных системах 109
4.4 Изучение микроструктуры легкого бетона с гранулированным заполнителем из камыша и соломы 122
4.5. Процессы, изменения структуры в легких бетонах с использованием органоминерального сырья 122
Выводы по главе 4 128
Глава 5. Разработка технологических основ получения изделий из легкого бетона с растительным сырьем 130
5.1. Отработка технологии получения гранулированного крупного заполнителя из растительного сырья 130
5.2. Расчет производственного состава легкого- органоминерального бетона 133
5.3. Разработка технологии получения, легких бетонов с использованием растительного сырья 142
5.4. Экономическая эффективность производства изделий на основе гранулированного крупного заполнителя, из камыша и соломы 147
Выводы по Главе 5 152
Основные выводы по работе 153
Литература 155
Приложения 167
- Растительное сырьё
- Выбор составов защитных композиций для камыша и Соломы
- Изучение адгезии полимерсиликатной защитной композиции к органическому заполнителю
- Экономическая эффективность производства изделий на основе гранулированного крупного заполнителя, из камыша и соломы
Введение к работе
Актуальность темы. Для повышения мощностей предприятий строительного комплекса в различных районах страны может быть рациональным использование отходов производства и местных сырьевых ресурсов, что является экономически целесообразным и технически оправданным. Важным компонентом этого направления исследований является экологическая составляющая, так как при этом может быть достигнут эффект за счет очистки территории от вредных отходов производства и высвобождения земель для других мероприятий, например, для сельскохозяйственных работ или застройки. Создание прочных и недорогих стеновых материалов, стойких к климатическим и эксплуатационным воздействиям, представляет собой важную научно-техническую проблему. Для изготовления строительных материалов и изделий различного назначения могут быть использованы отходы производства и местное сырье: минеральные - топливные шлаки, пески, песчано-гравийные смеси, глины; органические - камыш, солома, торф, отходы деревообработки. Органическое сырье может быть эффективно использовано в качестве крупного заполнителя легкого бетона для создания пористой структуры и улучшения теплофизических характеристик стеновых материалов. Строительно-технологический комплекс северных районов ис-пытывает острый дефицит в стеновых строительных материалах и крупном пористом заполнителе для легких бетонов.
Работа выполнялась 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», а также по программе «Комплексное использование минерального сырья в рамках общероссийской программы 01.87.0.001.003 Минсельхоза Российской Федерации: тема Х1V и по программе 5.02 «Экология, охрана окружающей среды Сибири» в период 1999 – 2009 гг. Исследования проводились в лабораториях Новосибирского государственного аграрного университета, в НПО «СибГЕО», в испытательном центре НИИ строительных материалов и др.
Цель работы. Создание эффективных конструкционно-теплоизоляцион-ных легких бетонов с повышенными эксплуатационными показателями на основе модифицированного растительного сырья и золошлаковых отходов.
При этом необходимо было решить следующие задачи:
изучить свойства растительного сырья и золошлаковых отходов; определить оптимальные составы полимерсиликатного модификатора для нейтрализации редуцирующих веществ;
разработать составы и технологические режимы получения легкобетонных изделий на основе модифицированного растительного сырья и золошлаковых отходов, а также изучить их свойства;
установить основные зависимости изменения свойств конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на растительном сырье и золошлаковых отходах от вида, структуры и содержания компонентов;
разработать технологическую схему производства органоминеральных легкобетонных изделий и дать технико-экономическую оценку результатам проведенных исследований на основе натурных обследований состояния ограждающих конструкций в суровых климатических условиях;
разработать практические рекомендации и нормативную документацию по изготовлению изделий по предлагаемым рецептурам.
Научная новизна.
-
При получении легких бетонов c использованием растительного сырья (камыша, соломы) целесообразна обработка органического заполнителя высо-кокальциевой золой. При этом органический заполнитель предварительно должен быть увлажнён: солома – до 25±5 %, камыш – до 30±5 %; это обеспечивает снижение открытых пор, повышенную адгезию к минеральному вя-жущему, уменьшает количество редуцирующих веществ из органического заполнителя.
-
В качестве полимерной защитной композиции, наносимой на гранулы из растительного сырья, может быть использован состав, содержащий 50-70 мас. частей дисперсии ПВА и 30-50 мас. частей жидкого натриевого стекла. Жизнеспособность такой композиции составляет 1,0-1,5 часа при вязкости 80-100 с по вискозиметру ВЗ-4, что обеспечивает хорошую защиту гранул при минимальной впитываемости и низком расходе защитного состава, а также высокую адгезию гранулированного заполнителя к защитному покрытию.
-
Отформованные изделия из легкого бетона с гранулированным заполнителем необходимо выдерживать перед тепловлажностной обработкой в течение 4-6часов для предотвращения неравномерности изменения объема и возникновения дополнительных внутренних напряжений. Защищенные поли-мерсиликатной композицией гранулы растительного заполнителя являются структурообразующими элементами средней крупности и обеспечивают создание легкого бетона с высокими теплофизическими характеристиками.
-
Использование гранулированного растительного сырья (камыш, солома) с защитой полимерсиликатной композицией обеспечивает получение легких бетонов, имеющих прочность при сжатии (7,5-12,0 МПа), плотность (480-620 кг/м), низкую теплопроводность (0,18-0,31 Вт/(м. С), высокую трещиностойкость, обладающих демпфирующей способностью при воздействии сосредоточенных нагрузок.
Практическая значимость результатов работы состоит в следующем.
Показана возможность получения легких органоминеральных бетонов для стен зданий при использовании пористого растительного сырья, предварительно обработанного золой и полимерсиликатной композицией.
Предложены составы легких бетонов на основе камыша и соломы, модифицированных полимерсиликатной композицией, обладающие достаточным набором эксплуатационных свойств, что позволяет рекомендовать их для возведения стен малоэтажных зданий.
Предложена технология получения легких бетонов с использованием растительного сырья в качестве крупного пористого заполнителя с отработкой пооперационных процессов.
Разработаны временные технические условия ВТУ 07.05-01 «Блоки стеновые легкобетонные с использованием растительного сырья» и осуществлено производственное внедрение на заводе железобетонных изделий и строительных объектах гг. Нижневартовска, Сургута и Мегиона.
На защиту выносятся:
Теоретические обоснования и экспериментально доказанная возможность получения легких бетонов с улучшенными теплоизоляционными и деформативными показателями на основе растительного сырья (камыша, соломы) и золошлаковых смесей.
Разработанные составы легкого бетона и подтвержденная эффективность введения гранулированного крупного заполнителя из растительного сырья, способствующего проявлению комплексного действия по повышению эксплуатационных свойств материала за счет проявления демпфирующего эффекта.
Способ подготовки растительного сырья в качестве крупного заполнителя для легких бетонов с целью нейтрализации редуцирующих веществ путем комплексной обработки полимерсиликатной защитной композицией, что обеспечивает надежную консервацию гранул.
Результаты опытно-производственной проверки и рекомендаций по эффективному использованию легкого органоминерального бетона в качестве стенового материала для северных территорий страны.
Предложения по расширению сырьевой базы строительных материалов за счет ранее неиспользованных ресурсов (камыша и соломы), что способствует повышению эффективности и улучшению экологической обстановки.
Достоверность основных положений и выводов диссертации определяется большим объемом экспериментальных данных с использованием современных методов научного исследования. В работе успешно использованы такие методы анализа материалов, как рентгенофазовый, дериватографический, порометрический, фотоэлектроколориметрический, микроструктурный и другие, а также математическое планирование эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических международных, общероссийских, региональных и межвузовских конференциях и семинарах в г. Новосибирске (НГАУ, НГАСУ, «СтройСибе» на Сибирской Ярмарке), гг. Казани, Харькове, Томске, Одессе в 2001 – 2010 г.г.
Публикации: Основные результаты научных исследований опубликованы в 17 статьях, в том числе в 3 изданиях, рекомендуемых ВАК; по результатам проведенной работы получен патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, приложений и списка использованной литературы, включающего 176 наименований. Основная часть работы изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 24 таблицы.
Растительное сырьё
По запасам растительного сырья Россия — одна из самых богатых стран в мире, так как обладает обширной территорией с лесами, камышовыми1 зарослями, лугами и посевными угодьями. Растительное сырье в качестве строительных материалов используется при возведении различных объектов многие сотни лет, так как обладает целым- комплексом ценных свойств, таких, как доступность и широкая распространенность, малая плотность, низкая теплопроводность, долговечность, технологичность, возможность переработки различными способами, невысокая стоимость и т.д. Все эти качества создали растительному сырью широкую популярность и большие возможности для применения в строительстве, однакокак строительный материал оно имеет и некоторые недостатки [21-30]:
- неоднородность строения (анизотропность), обусловливающая различие показателей прочности и теплопроводности вдоль и поперек волокон, что создает затруднения при использовании для строительных изделий;
- гигроскопичность, т.е. способность поглощать и испарять влагу при изменении влажности и температуры окружающего воздуха; при возрастании влажности растительные волокна набухают, при уменьшении — усыхают;
- загниваемость, т.е. способность разрушаться под действием низших микроорганизмов в неблагоприятных условиях;
- легкая воспламеняемость, из-за которой строительные конструкции и части зданий являются огнеопасными, если не принимать специальных мер для защиты их от возгорания.
При изготовлении различных изделий, конструкций и деталей из растительных отходов и органического сырья необходимо предотвратить возможное переувлажнение его, приводящее к загниванию и выходу из строя материала [24-30]. При эксплуатации таких конструкций в условиях коррозионной среды и повышенной влажности необходимо осуществлять антисептирование в соответствии с приведенными Рекомендациями. В случае использования деревян 19-ных пролетных и несущих конструкций из растительного сырья необходимо защищать их от возгораний [18, 21-34].
Во многих высокоразвитых: странах мира (США;, Норвегия; Швеция; Финляндия; Канада, Япония; Россия; Казахстан и др.) вшоследнее время широкое применение в строительстве: получили лёгкие листовые композитные.материалы на основе древесных отходов и натуральных: волокон растительного сырья [21-28,31] .
Огромным резервом в производстве местных строительных материалов является-камыш. По его запасам территория Западной Сибири занимает ведущее место в Российской Федерации.
Наиболее эффективно его-можно использовать для приготовления камышита: Камышит представляет собой спрессованные и прошитые проволо-койшрямоугольные плиты и брусья из камыша. В процессе прессования;стебли прошивают проволокой с обёиххторон через 14 - 16 см ирядьь. их скрепляют проволочными крючками через 80 - 100 мм. Размер; камышитовых плит: длина: -2;4;2j6: 2,8 м, ширина- 0..55; 0;95; 1,15; 1,5 м, толщина 30 50; 70, 100 мм. Средняя плотность колеблется-в зависимости от степени прессованияот 175 до 250-кг/м3, влажность плит не должна превышать Л 8 % по "массе, теплопровод-ностьв зависимости от средней плотности 0,05 - 0,08 Вт/(м-С). Камышит гораздо дешевле и легче фибролита, но менее огнестоек, так как при? воздействии открытого пламени он не горит, но тлеет. Для защиты от загнивания, а также в санитарных целях его рекомендуется1 пропитывать 3 %-ным раствором железного купороса. Камышитовые Стены и перегородки обязательно оштукатуривают с обеих сторон [31 -38].
Камышитовые плиты используют при строительстве сельскохозяйственных производственных зданий в качестве утеплителя в наружных каркасных стенах, перегородках, перекрытиях и покрытиях. Применение их не допускается в капитальных стенах с относительной влажностью воздуха свыше 70 %, а также в конструкциях зданий, которые при эксплуатации могут подвергаться увлажнению [29-37].
Для производства камышебетона используют камыш, песок, цемент или гипс. Вяжущее должно обеспечивать надлежащую атмосфероустойчивость, прочность и морозостойкость конструкций. Камыш в камышебетоне выполняет одновременно ряд функций: функцию крупного заполнителя, пустотобразо-вателя и арматуры. Марку камышебетона назначают в зависимости от требуемой прочности. Для несущих стен одноэтажных зданий применяют камышебе-тон марок 25іи 35, а для стен двух- и трехэтажных зданий, плит наката и-перекрытий - марок 50, 75, 100. Производство изделий из камышебетона отличается простотой технологии, которая доступна любой строительной организации. Легко организовать производство изделий из камышебетона и при строительстве хозяйственным способом [34-39].
Блоки и плиты из камышебетона в поперечном разрезе имеют однородную структуру за счет равномерного размещения мелкозернистого бетона и пустот, образуемых трубчатыми стеблями камыша. Камышебетон целесообразно применять в виде крупных блоков и плит для сборных конструкций стен и перегородок [36].
Панели стен, перегородок и перекрытий из деревянных рам, заполненные камышитом, изготовляются на стройплощадке и монтируются автокраном. Применение этих конструкций позволяет сократить сроки строительства, снизить стоимость жилой площади, повысить сборность до 50-60 % и снизить трудоемкость до 0,5 чел.-дня на 1 м3 здания.
В Полтаве много лет эксплуатируются жилые дома, конструкция стен которых состоит из кирпичной кладки толщиной в один кирпич и двух слоев камышитовых плит [34-38].
Строители г. Черкассы за счет применения камышита при строительстве жилого поселка для переселенцев снизили стоимость 1 м2 жилой площади более чем в два раза по сравнению с домами из кирпича [36]. Снижение стоимости этих домов достигнуто за счет сокращения транспортных расходов по перевозке материалов для стен и фундаментов, выбора рациональных камышитовых конструкций и умелой организации строительных работ. Экспериментальное строительство одноэтажных жилых домов на одну и две квартиры с различным использованием камышита в их конструкциях, осуществленное в г. Кременчуге, показало целесообразность возведения стеа жилых домов с применением камыша [36].
Приведенный; обзор строительствах применением камышав ряде районов бывшего; ЄЄЄР показывает целесообразность развития этого вида строительства в дальнейшем: Камыши1 изделияшз него хорошо зарекомендовали себя-в течение многих лет эксплуатадйшвшостройкахсамошфазлинного назначения: Удешевление: стоимости- заготовки -камышашутем ее: механизации тіозволяет в еще более широких масштабах применять эти эффективные материалы,, особенно камышитовые плиты [32-39];
Зарубежный-опыт строительства с применением камыша также насчитывает многолетнюю историю. Изделия из камыша (камышитовые плиты, фашины, камышеволокнистые плиты и плиты из отходов камыша с синтетическими-смолами) применяются в ряде зарубежных стран при строительстве жи-лых домов, сельскохозяйственных сооружений, гаражей, складов-и временных сооружений; [36-40]..
Так, В: Румынии в гг. Бузау и Кымпыне долгое время; было организовано производство деталей "сборных щитовых зданий. Щиты изготавливались для стен и перекрытий и состояли из деревянных рам; в которые закладывались камышитовые плиты. Затем.эти рамы обшивались с одной или двух сторон листовым материалом. При монтаже стен щиты устанавливались вплотную друг к другу, при: этом вертикальные: элементы рам образовывали несущие стойки, на которые опирались сборные стропильные фермы [36-40].
Вт. Бухаресте в 1960-1970 годах осуществлялось опытное строительство двухквартирных жилых домов из железобетонных панелей, в которых были заложены камышитовые плиты. В селении Росец, расположенном на одном из островов Дуная, построена опытная-кошара из камыша на 200 овец в виде параболического свода высотой 2,9 м; опирающегося:на бетонные фундаменты. Свод сделан из прямоугольных фашин длиной 8,75 м, сечением 0,50x0,16 м, связанных между собой проволокой через каждые 0,5 м. Фашины укладывались на передвижную опалубку из трех кружал. По своду из камышовых фашин сделана обмазка из глиносоломенной массы толщиной 3-4 см, на которую нанесен слой гидроизоляционной композиции. В Румынии одно время камышитовые плиты широко применялись также для устройства перекрытий при строительстве конюшен, телятников, коровников и других сельскохозяйственных сооружений [36-40].
В шестидесятых годах в г. Браиле (Румыния) были получены плиты из отходов камыша путем прессования их с синтетическими смолами, а также плитки смешанной слоистой структуры из отходов камыша и раздробленной древесины. Связующим служило адгезивное вещество на базе формальдегида, которое в Румынии называют "уролит". Технологический процесс изготовления этих плит аналогичен процессу изготовления древесно-стружечных плит [36-38].
В Китае в провинциях Хэбэй, Хэнань и др. камыш широко применяют при строительстве жилых домов. Камышитовые плиты и маты, которые изготовляются вручную, используют при устройстве перегородок и потолков, а также глинокамышитовых перемычек, применяемых обычно в постройке из необожженного кирпича. Плиты изготовляют также из гаоляна (сорго), стебли которого диаметром 10-20 мм достигают высоты 2-2,5 м, а в южных районах -3,5 м. Эти плиты используются для устройства наружных стен неотапливаемых зданий, внутренних перегородок и перекрытий жилых домов, а также для звукоизоляции и теплоизоляции помещений [36-40].
В Польше камышитовые плиты применяли для заполнения деревянных каркасов зданий при постройке одно- и двухэтажных жилых домов, гаражей, птичников, временных сооружений.
Выбор составов защитных композиций для камыша и Соломы
Учитывая тот факт, что органический заполнитель из соломы икамыша имеет значительный диапазон плотности и пористости, содержит значительное количество пор различного диаметра, а длительное пребывание в условиях эксплуатационных воздействий может отрицательно сказываться на структуре цементного камня и существенно снижать долговечность стеновых конструкций, необходимо было подобрать оптимальную защитную композицию, обеспечивающую достаточную химическую защиту от редуцирующих веществ. Это обеспечивало бы прочность и способность легкобетонных стеновых ограждений сопротивляться всем эксплуатационным воздействиям в широком диапазоне температур.
Для этого был проведен анализ полимерсодержащих составов и композиционных материалов для отработки технологии защиты строительных материалов. Используемые традиционно применяемые составы и композиционные материалы, в зависимости от направления улучшения свойств материалов и бетона могут проявлять различный эффект: способствовать стабилизации свойств минерального вяжущего; образовывать защитную пленку; создавать пенистую или иную структуру для снижения скорости распространения влаги и других активных веществ в цементный-и каменный массив; придавать эффект гидрофобизации, способствовать снижению пористости вплоть до кольматации пор или полной консервации стенового материала и т.д.
Обзор патентной, периодической и нормативной информации позволил установить, что подавляющее большинство работ по использованию защитных композиций строительных материалов и совершенствованию методов упрочнения заполнителей для бетонных элементов ограждающих конструкций направлены на повышение качества и носят комплексный характер воздействия. Получаемые при этом модифицированные материалы об ладают повышенными физико-механическими и физико-химическими показателями. И, хотя процесс полимерной или органоминеральной- защиты и введения полимерсодержащих компонентов требует дополнительных затрат, получаемый от этого мероприятия эффект значительно превосходит эти расходы-в силу получения материалов с необходимым набором свойств. Основной причиной такого положительного изменения является, организация нового композиционного материала, обладающего дополнительной внутренней структурой, т.е. «структура в структуре», что способствует совместной работе исходного материала и защитной композиции-. Поэтому защита полимерсодержащими составами, органических высокопористых материалов для легкобетонных стен эксплуатируемых зданий способствует существенному улучшению не только прочностных параметров этих материалов, но и повышает теплофизические показатели ввиду меньшего вла-гонасыщения конденсационной влагой, а также увеличивает водо- и морозостойкость ограждающих конструкций. Из огромного количества существующих полимерных и пленкообразующих составов были отобраны наиболее доступные, недорогие и недефицитные, свойства и перечень которых приведены в главе 2. Ниже, приведены наименования пропитывающих композиций, использованных в наших исследованиях: жидкое стекло, дисперсия.(клей) ПВА, латекс СКС-65 ГП, акриловый клей, фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, битумная эмульсия. На первом этапе все выше указанные составы проходили отбор на технологическую возможность и рациональность использования в качестве защитных композиций растительного сырья (рис. 3.3 - 3.5). В качестве необходимых или требуемых параметров, предъявляемых к защитным композициям, были определены требования, вызванные условиями эксплуатации зданий и сооружений, расположенных в районах северных территорий (табл. 3.2).
В качестве регламентируемых и контролируемых выходных данных использовали следующие показатели: уровень снижения водородного показателя рН, изменение пористости (77), плотности (р) и прочности (7?). Кроме того, важной характеристикой защитной композиции являлся её удельный расход на единицу объема органического заполнителя (материала), что было обусловлено экономической стороной данной работы. Не менее важной характеристикой защитной композиции является возможность осуществлять защиту пористого растительного заполнителя в естественном (увлажненном до определенной величины) состоянии. Косвенной оценкой технологичности выбираемого защитного состава являлась сложность или простота приготовления композиции, а также время смешивания отдельных компонентов и их совместимость. Не менее важным условием применимости защитного соста ва можно считать возможность регулирования сроков отверждения и способность к растворению доступными растворителями, в т.ч. водой.
На первом этапе определялась способность предложенных составов впитываться в солому и камыш с поверхности. Как показали предварительные исследования, большинство из перечисленных материалов по-разному впитываются не только в плотную поверхность органического заполнителя, но и в пористые структуры (рис. 3.5 - 3.8). Исключение составляют фено-лоформальдегидная смола илатекс СКС-65 ГЦ, однако эти защитные композиции были отвергнуты по следующим соображениям. Первая - по причине токсичности и необходимости термоотверждения, вторая — из-за низких прочностных характеристик, длительности их набора во времени и большого расхода ввиду повышенной впитываемо сти в трубчатый растительный заполнитель. Эпоксидная смола, хотя и обладает достаточными защитными свойствами в случае избыточного введения пластификатора МГФ-4 или ди-бутилфталата, но в нашем случае является явно не технологичной ввиду ограниченной жизнеспособности данной композиции и высокой цены. Кроме того, композиция на основе эпоксидной смолы является многокомпонентной и требует тщательной дозировки составляющих. Акриловый клей обладает достаточно высокой вязкостью, поэтому его защитная способность весьма ограничена по причине перерасхода композиции. По этой причине данный состав не был использован в наших дальнейших исследованиях.
Учитывая весь набор требований, предъявляемых к защитным композициям для органических материалов, нами был сделан вывод о неприемлемости какого-либо одного вида или состава и актуальности разработки комбинированной композиции, обладающей необходимыми свойствами. При этом необходимо было выбрать совмещающиеся полимерные или пленкообразующие составы, имеющие единые растворители или пластификаторы, обеспечивающие способность композиции сохранять свои свойства в течение заданного рабочего времени. Наиболее подходящей с точки зрения удовлетворения предъявляемым требованиям была выбрана полимерсиликатная композиция, состоящая из жидкого стекла и дисперсии ПВА. Во-первых, эти жидкости хорошо сочетаются друг с другом; во-вторых, они длительное время сохраняются в совмещенном виде; в-третьих, они могут разжижаться водой, что делает их универсальной композицией по реологическим параметрам и создает возможность регулирования сроков отверждения. Кроме того, данные композиции проявляют адгезионную способность к органическому заполнителю растительного происхождения в широком интервале влажности соломы и камыша. Это свойство является одним из определяющих в выборе и назначении состава для защиты камыша и соломы.
Изучение адгезии полимерсиликатной защитной композиции к органическому заполнителю
Повышение адгезионных свойств органических материалов (камыша и соломы) к цементному камню может быть достигнуто путем покрытия их полимерными или пленкообразующими композициями. Так, например, по многочисленным опытам различных исследователей адгезия цементного камня к органическому заполнителю в бетоне значительно превышает адгезию к обычной древесине в арболите (древобетоне). Кроме того, будучи помещенными в воду, цементные бетоны с полимерной пропиткой гранул из растительного сырья обладают пониженным водопоглощением и повышенной трещиностойкостью.
П. Дютрон и У. Колле (Бельгия) получили прочность сцепления образцов поливинилацетатцементных растворов с П/Ц = 0,05 при твердении на воздухе такую же или несколько выше, чем для обычных цементных растворов. Введение в растворы 2% ПВА позволило увеличить их прочность при испытании на изгиб на 14-26 % и при испытании на срез — на 30-45%. По опытам Р. Лермита поливинилацетатцементные растворы (с П/Ц = 0,10), хранившиеся 90 суток на воздухе (относительная влажность 50%), обладали адгезионной прочностью, превышающей аналогичную прочность обычных растворов на 160%, а при выдерживании в воде — на 60%. По опытам Ц. Перений применение поливинилацетатцементных растворов при заделке швов в бетонных конструкциях позволяет повысить прочность шва в 2—3 раза.
Полимерная обработка пористых материалов существенно сказывается не только на увеличении прочностных показателей материала, но и может значительно увеличить адгезионную прочность всех компонентов бетона.
В качестве защитных композиций использовались жидкое стекло, по-лиметилметакрилат, ПВА, латекс СКС-65 ГЦ, фенолоформальдегидные, акриловые и эпоксидные смолы. Однако значительный разброс показателей, полученных при испытании на увлажненных образцах, потребовал проведения физико-химических исследований для уточнения влияния вида и количества защитных композиций на упрочнение материала. Кроме того, необходимо было выявить оптимумы расхода защитной композиции или найти рациональное техническое решение по организации комплексного воздействия на органический хаполнитель из растительного сырья.
С этой целью нами были выполнены фотоэлектроколориметрические исследования для изучения адгезии защитной композиции к органической составляющей конгломератного материала. Использование метода фотоэлек-троколориметрии для изучения адгезии полимерсиликатнои композиции к минеральному или органическому заполнителю объясняется доступностью проведения исследований и достаточной степенью точности определений. Методика проведения испытаний была принята такой, как в работе [151]. Испытания проводилась в следующей последовательности: частицы крупного пористого заполнителя, защищенные полимерным покрытием (размером 3-5 мм) или отвержденная полимерсилимкатная композиция фракции 2,2 - 5,0 мм готовились в трех параллелях на каждое измерение массой навески в 1 грамм. Далее проба встряхивались в течение 15 минут в 20 мл раствора красителя. После выдерживания в течение суток определялась концентрация раствора, для чего отбиралась проба в 10 мл раствора и помещалась в кювету фотоэлектро-колориметра.
Важным вопросом при проведении данных исследований являлся правильный выбор красителя, который должен быть инертным по отношению к пропитывающей композиции, т.е. не адсорбироваться, на поверхности её: частиц. С этой целью были опробованы следующие.водные растворы красителей: конго- красный, родамин 6Ж, родамин: С, метиленовый синий и; метиловый фиолетовый. Проведенные исследования по-выявлению инертного красителя» показали, что наиболеегприемлемымвидом красителя-являетсяшодный раствор» метиленового синего, поэтому все.дальнейшие определения; производились на этом красителе с концентрацией! раствора. 12 мг/мл (молярная? массам 373,9s Г/МОЛЬ);
Для выяснения величины, и характера изменений адгезионной связи между полимерсиликатной защитной: композицией и заполнителем на основе камыша и соломы подготовленные пробы подвергались воздействиям агрессивных сред по ускоренному режиму с кипячением. Такая, обработка-давала: возможность нарушать сцепление органического материала с модифицировант ным полимерсиликатным составом и получать открытую поверхность.заполниг теля, что способствовало интенсивной адсорбции красителя израствора.
В таблице 4.2 приведены результаты адсорбции. из водного раствора;метиленового синего защищенным полимерсиликатной композицией заполнителем после обработки кипячением в некоторых химических реагентах. Адсорбция заполнителя красителем была определена заранее.
Анализ полученных результатов свидетельствует о наибольшей::агрессивности ацетона, поэтому в дальнейших исследованиях он-был принят в качестве основного реагента при определении относительной величины адгезии, при расчете которой были приняты следующие положения, как и в работе [151]. Краситель- метиленовый синий- не поглощается, модифицированной полиг мерсиликатной композицией, т.е. его адсорбция смесью связана в основном только со свойствами и активностью открытой поверхности заполнителя?или со способностью создавать прочный контакт. Тогда.отношение адсорбции красителя смесями до кипячения в агрессивной среде (ап) и после кипячения (а п) к начальной адсорбции красителя наполнителем (а0) будет являться открытой поверхностью заполнителя в смеси:
Они свидетельствуют о различной адгезионной способности разных защитных составов и композиций к органическому заполнителю и минеральной фазе легких бетонов и, следовательно; различной активности защитных покрытий по отношению к данному материалу. Так, наибольшей -адгезией; обладают эпоксидные составы, которые имеют повышенные- защитные: и адгезионные характеристики практически; ко всем исследованным; фазам; Наименьшей1 адгезией к органическими минеральным материалам характеризуютсяша-текс, жидкое стекло и ПВА. Причем, низкая адгезионная способность у этих пропитывающих композиций объясняется, по-видимому, химическим составом и наличием природной малоадгезионной поверхности растительных волокон из камыша и соломы. Низкая адгезия к золошлакобетону вызвана наличием огромной внешней поверхности зерен золы и шлака, ухудшающей контакт пленки и способствующей значительному понижению адгезионной прочности. Данное предположение подтверждается результатами целого ряда других исследователей.
Рассматривая детально результаты проведенных исследований, можно сделать вывод, что любой из выше перечисленных защитных составов положительно влияет на улучшение структуры-материала и, следовательно,.может быть применим для защиты в зоне контакта с цементным камнем в-легком бетоне. Сравнение результатов фотоэлектроколориметрических исследований с физико-механическими испытаниями дает право считать защиту гранул из растительного сырья достаточно важным и эффективным мероприятием; повышающим показатели прочности и другие свойства легкого бетона. Проведенные исследования свидетельствуют о различной адгезионной способности заполнителей из пористого органического сырья к полимерному связующему последовательно, различной активности их по отношению к данному пот лимеру. Так, наибольшей адгезией обладает гранулированный заполнитель, из растительного сырья к композиции из ПВА и жидкого стекла, а наименьшей к латексному покрытию.
В то же время отмечено положительное влияние обработки гранул из растительного сырья золой или гипсом, что существенно увеличивает адгезию полимерсиликатной композиции ко всем видам растительного гранулированного заполнителя. Видимо, минеральный компонент на поверхности гранул из камыша и соломы обладает повышенной адгезионной способностью, что способствует упрочнению всей системы органоминерального композита (табл.4.4).
Сравнение результатов фотоэлоктроколориметрических исследований с физико-механическими и физико-химическими исследованиями дает полное право считать вполне приемлемым и эффективным для крупнопористого легкого бетона с заполнителем из гранулированных отходов растительного происхождения (соломы и камыша) с защитным полимерсиликатным покрытием и наличие надежного контакта между синтетической пленочной защитой и поверхностью заполнителя. Предложенные варианты рецептурно технологических режимов можно считать наиболее рациональными методами защиты органического заполнителя с точки зрения обеспечения качественной подготовки и снижения открытой пористости, а также нейтрализации редуцирующих веществ при приготовлении легкобетонной смеси.
Экономическая эффективность производства изделий на основе гранулированного крупного заполнителя, из камыша и соломы
Технико-экономическая оценка производства и применения легкобетион-ных блоков на основе гранулированного крупного, заполнителя из камыша и соломы осуществлялось на примере применения легкобетонных блоков, изготовленных на,предприятиях стройиндустрии г.г.Мегион, Сургут и Нижневартовск, на объектах жилищного и произвлодственного назначения (см. Приложения). Оценка-производилась с учетом мощности производства, коэффициента использования, плотности полученных изделий и их теплопроводности, а также других качественных показателей. Кроме того, при экономическом обосновании учитывались сопутствующие производству взаимосвязанные факторы:
- физико-механические и эксплуатационные свойства материалов» (прочность, плотность, тепло физические характеристики, долговечность и др.) и показатели легких бетонов на основе гранулированного крупного заполнителя из камыша или соломы;
- условия транспортировки сырья и гранулированного заполнителя, а также легкобетонных блоков к месту производства работ и уровень затрат на их доставку по сравнению с традиционно применяемыми материалами и изделиями;
- природные и климатические особенности района строительства и характер применения в зданиях и сооружениях;
- уровень технической и организационной оснащенности строительного производства, проектного комплекса", эксплуатации объектов и др.
Экономическая оценка преимуществ использования легкобетионных блоков на основе гранулированного крупного заполнителя из камыша и соломы осуществлялось на примере применения легкобетонных блоков из ке-рамзитобетона и шлакобетона с заменой золошлакобетоных блоков путем сравнения экономической эффективности сопоставимых вариантов по комплексным текущим и капитальным затратам на разработку, транспортировку, производство и применение их в строительстве. При этом использовалась следующая формула для вычисления приведенных затрат [103, 149, 136].
Приведенные затраты определялись в расчете на единицу конечной продукции с учетом особенностей применения нового легкого бетона:
- по цене получаемой продукции и затратам на доставку на единицу выпускаемой легкобетонной продукции;
- по степени возможного использования легких бетонов на 1 м2 ограждающей конструкции при сопоставимых климатических условиях районов строительства;
- по эксплуатационным показателям легких бетонов в расчете на единицу измерения сопоставляемых вариантов;
- в расчете на 1 м2 жилой или производственной площади.
Экономическая оценка разработанных в диссертации технологических решений осуществлялась с учетом действующих методик Госстроя России (Инструкция СН 50970). В качестве сопоставимых вариантов были приняты, наряду с экспериментальной кладкой из легкобетонных блоков на гранулированном крупном заполнителе из растительного сырья, следующие широкоприменяемые конструктивные решения стен: кирпичная монолитная кладка и из шлакоблоков без добавок.
Исходные материалы, необходимые для выполнения 1м- глухой части стены приведены в таблице 5.3.
Стоимостные показатели рассчитывались в действующих ценах 2008 года. Сравнивая основные показатели трудозатрат и стоимости предлагаемых изделий из легкого бетона на гранулированном крупном заполнителе из растительного сырья с традиционно применяемыми вариантами конструкций стен из кирпича и шлакоблоков с использованием цемента марки М400, можно сделать следующие выводы.
Стоимостные показатели для конструкций стен с одинаковой толщиной ниже базовых показателей на 25-35% за счет уменьшения стоимости легкого бетона при замене привозного кирпича или при снижении расхода цемента в шлакобетоне.
Порядок расчета годового экономического эффекта, согласно методике Госстроя, осуществлялся по следующей формуле:
Основные технико-экономические показатели приведены в таблице 5.4.
При подсчете технико-экономических показателей были приняты легкобетонные блоки с использованием легкобетонных блоков на основе гранулированного крупного заполнителя из камыша и соломы, соответствующие классу прочности В5,0, как имеющие средние параметры свойств и расходов составляющих компонентов.
Подсчитанный суммарный экономический эффект при загрузке действующего цеха в две смены и выпуске 1200 - 1600 блоков в одну смену при пятидневной рабочей неделе составляет не менее 7430 тысяч рублей в год за счет снижения затрат на приобретение цемента, не считая экологического эффекта от использования отходов и бросового растительного сырья, которыми являются камыш и солома.
