Введение к работе
Актуальность работы Создание композиционных материалов, стойких к климатическим, биологическим, производственно-химическим и другим эксплуатационным воздействиям, прочных и надежных в эксплуатации представляет важнейшую научно-техническую проблему Для сибирских и северных регионов, находящихся в суровых климатических условиях с длительным периодом отрицательных температур и коротким дождливым летом, это является особенно актуальным Резкие перепады температур способствуют интенсивному накоплению конденсационной влаги в массиве ограждающих конструкций особенно в стенах с многослойными материалами, имеющими различные теплофизические характеристики Одним из эффективных направлений является формирование стенового ограждения с плавным изменением коэффициента теплопроводности, что может быть достигнуто за счет изменения поровой структуры легкого бетона Кроме того, такой пористый бетон позволяет осуществлять фильтрацию воздуха и, следовательно, его осушение в теплое время года
В настоящее время строительно-технологический комплекс Сибири испытывает существенный недостаток в стеновых строительных материалах и крупном пористом заполнителе для легких бетонов Важную роть при получении таких материалов играет использование промышленных отходов, в том числе зол и шлаков, а также образующихся при переработке сельскохозяйственной продукции и деревообработке, накапливающихся постоянно на территории сельскохозяйственных предприятий В частности, открытой остается проблема утилизации органических отходов, ресурсы которых в Западной Сибири составляют сотни млн тонн с ежегодным приростом в 35-50 млн т
Их использование позволяет обеспечить наряду со значительным экономическим эффектом высокую эксплуатационную стойкость и прочность материала Задачей технологии является получение легких бетонов с оптимальным содержанием крупной и мелкой фракции в объеме бетона и цементного вяжущего
Диссертационное исследование выполнялось в соответствии с научно-технической программой Новосибирского государственного аграрного университета «Создание и опытно-промышленное освоение новых энергосберегающих технологий и техники модульного испол-
нения 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 XIУ «Разработать методы повышения долговечности и эффективности работы строительных конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений» и по программе 5 02 «Экология, охрана окружающей среды Сибири» в период 1995 - 2005 г.г Исследования проведены в научных лабораториях СО РАН, Новосибирского государственного аграрного университета, в НПО «СибГЕО» и др
Цель работы. Создание эффективной технологии новых композиционных материалов - легких органоминеральных бетонов с интегральной структурой пористого заполнителя, ее теоретическое обоснование, получение, а также применение в строительстве легкобетонных изделий с требуемыми свойствами
Основные задачи работы.
Разработать модель функционирования ограждающих конструкций из легкого бетона с изменяемой структурой пористого заполнителя, что позволяет улучшить их теплоизоляционные свойства и тепло-влажностный режим
Разработать технологию приготовления крупнопористого бетона с изменяемой гранулометрией по сухому и мокрому способам формования легкобетонных крупнопористых изделий с послойной горизонтальной и вертикальной укладкой бетонной смеси Отработать методы уплотнения и интенсификации процесса твердения таких бетонных смесей
Разработать способы нейтрализации редуцирующих веществ в органическом заполнителе и обеспечить максимальное снижение открытой пористости крупного органического и минерального заполнителя.
Определить состав цементно-клеевой композиции для крупнопористого бетона с изменяемой гранулометрией пористого заполнителя и обеспечить повышение адгезионной прочности и трещиностойкости цементно-зольной матрицы путем введения дисперсно-армирующих добавок
Изучить свойства легких бетонов с изменяемой гранулометрией пористого заполнителя и установить закономерности формирования прочных структур в контактной зоне: заполнитель - дисперсно-армированная цементно-зольная матрица
Разработать практические рекомендации и нормативную документацию по изготовлению изделий из легкого бетона с изменяемой гранулометрией крупного заполнителя
Произвести производственное опробование и определить технико-экономическую эффективность результатов проведенных исследований
Научная новизна.
Теоретически обоснован и практически исследован принципиально новый строительный материал - легкий бетон с изменяемой гранулометрией (интегральной структурой) пористого заполнителя Разработана модель функционирования ограждающих конструкций из легкого бетона, в котором крупный пористый заполнитель расположен в три слоя, каждый из которых включает фракцию определенных размеров Рекомендовано во внешних слоях (толщиной 30-50 мм) использовать фракцию 5-10 мм, в средних (толщиной 50-100 мм) -фракцию 10-20 мм, во внутреннем слое (толщиной 140-200 мм) -фракцию 20-40 мм Такая структура является интегральной, а ее реализация позволяет улучшить теплозащитные свойства строительных изделий и тепловлажностный режим ограждающих конструкций, исключив конденсатообразование в массиве ограждения и коррозионное воздействие влаги на материал ограждений Легкий бетон для стен зданий с изменяемым коэффициентом теплопроводности обеспечивает возможность фильтрации и инфильтрации воздуха
При подготовке заполнителя для легкого бетона эффективно использование обработки его гранул гипсом при предварительном увлажнении древесной сосновой коры до 45±10%, березовой и осиновой коры — до 30±5%, керамзитового гравия — до 20±10%, шлака и аглопо-рита — до 35±15% с последующим нанесением полимерсиликатной композиции, содержащей латекс и 8-12% жидкого стекла Это обеспечивает снижение поверхностной пористости заполнителя, повышение стабильности новообразований Твердение легкого бетона с пористым крупным заполнителем происходит в этом случае при отсутствии негативного воздействия Сахаров и редуцирующих веществ из органического заполнителя Формирование структуры конгломератного материала осуществляется в условиях более полного использования вяжущих свойств цемента
В качестве мелкодисперсного наполнителя в легких бетонах могут быть использованы отсеянные золошлаковая смесь или отходы асбе-стоцементного производства, состоящие из волокон хризотил-асбеста
и 50-60% гидратированного портландцемента. Эти добавки осуществляют микроармирование структуры цементного камня, повышают его адгезионные свойства и трещиностойкость В составе защитного (фактурного) слоя легкого бетона может быть применен другой мелкий заполнитель (песок речной, керамзитовый, шлаковый и т п)
Структура цементного камня в легких бетонах с изменяемой гранулометрией крупного заполнителя обладает высокой упорядоченностью Микротвердость цементного камня выше во всех случаях на контакте с зернами пористого заполнителя, что может быть связано с поглощением заполнителем части воды из цементного камня. На границе с плотной фракцией заполнителя улучшение менее заметно, а на границе с кварцем оно отсутствует Упрочнение цементного камня и создание его оптимальной поровой структуры обеспечивают высокую морозостойкость материала с интегральным расположением крупного заполнителя (более 30 циклов) по сравнению с керамзитобетоном на кварцевом песке (18 циклов)
При изготовлении изделий из легких бетонов с изменяемой гранулометрией крупного пористого заполнителя после заполнения всех слоев целесообразно виброуплотнение в течение 15-20 с для объединения всех слоев бетона из различных фракций в единый массив Теп-ловлажностную обработку рекомендуется производить без резкого подъема температуры, в течение 3 часов Максимально рекомендуемая температура пропаривания не должна превышать 70-8 0?С Это позволяет получить легкий бетон с интегральной структурой крупного пористого заполнителя, имеющий прочность при сжатии от 5,5 до 10,5 МПа, плотность 300-500 кг/м? и коэффициент теплопроводности 0,12 - 0,30 Вт/^С)
Практическая значимость результатов работы состоит в следующем.
Предложены составы легких бетонов с интегральным расположением крупного пористого заполнителя, что обеспечивает повышение теплозащитных свойств и улучшение тепловлажностного режима ограждающих конструкций зданий.
Стеновые блоки и камни из легкого бетона с интегральной структурой крупного пористого заполнителя рекомендуется применять в постройках различного назначения высотой 1—5 этажей для наружных и внутренних стен зданий, испытывающих суровые климатические воздействия При этом за счет внутренней пористой структуры в
таких стенах не будет происходить интенсивного конденсатообразо-вания.
Предложена технология получения легких бетонов с интегральным расположением крупного пористого заполнителя с отработкой пооперационных процессов Разработана конструкция, сконструированы и изготовлены опалубки и комплект оборудования для осуществления технологического процесса
Нормативная база для внедрения рекомендуемых составов и технологии обеспечена Техническими условиями «Смеси легкобетонные из отходов деревообработки» и «Легкобетонные изделия с интегральным расположением крупного заполнителя» и Рекомедациями «Производство и применение гранулированного легкого заполнителя на основе отходов деревообработки и растительного сырья сельскохозяйственного производства», «Изготовление легкого бетона с интегральной структурой крупного заполнителя».
Опытно-производственное опробование и внедрение основных результатов работы произведено на Новосибирском заводе железобетонных изделий №2, Куйбышевском заводе железобетонных изделий (Новосибирская область) и Новосибирском сельском строительном комбинате
Автор защищает:
положение о повышении теплозащитных функций стен из легких бетонов за счет изменения структуры и упорядоченности расположения крупного заполнителя путем распределения его гранулометрического состава по интегральному принципу,
составы и способы получения легких крупнопористых бетонов с интегральным расположением крупного заполнителя на основе минеральных и органических отходов и мелкого сырья,
закономерности формирования структуры крупнопористых легких бетонов с интегральным расположением крупного заполнителя и дис-персноармированной отходами асбестоцементного производства цементной или цементно-зольной матрицей;
результаты исследования строительно-технологических свойств легких бетонов с интегральным расположением крупного заполнителя,
результаты опытно-производственного внедрения и технико-экономические показатели применения разработанной технологии изготовления стеновых блоков из легкого бетона с интегральной струк-
турой на предприятиях строительной индустрии Новосибирской области
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях регионального, всероссийского и международного уровня в городах Новосибирске, Одессе, Омске, Челябинске, Красноярске, Москве, Харькове, Бийске, Барнауле, Полтаве, Владивостоке, Пензе, Казани и других городах России и стран СНГ с 1990 по 2007 год
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 58 научных работах, в том числе 11 в рекомендованных ВАК журналах и изданиях с внешнем рецензированием, по результатам исследований получен Патент Российской Федерации и подано четыре заявки на патент, выпущены три монографии и четыре учебных пособия, рекомендованных УМО аграрных вузов для строительных специальностей
Объем и структура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы из 397 наименований и приложений, содержит 250 страниц текста, 51 рисунок и 37 таблиц
