Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и проблема исследований
1.1. Методы расчета акустических параметров помещений и снижение уровня шума в них 13
1.2. Характеристики звуковых потоков. Распространение и поглощение звука в строительных материалах ... 25
1.3. Виды и свойства торфа и его использование в строительстве 33
1.4. Факторы, определяющие прочность и долгвечность бетона 48
1.5. Физико-химические основы выбора состава заполнителей 58
Глава 2. Материалы для создания звукопоглощающего бетона и методы исследований его свойств
2.1. Характеристика материалов, принятых для исследований 69
2.2. Методика изготовления образцов и проведения испытаний 79
2.3. Измерение шумопоглощающей способности материалов ограждающих конструкций 83
2.4. Методы математического планирования и обработки результатов исследований 88
Глава 3. Обеспечение качества гранулированного пористого заполнителя для легкого бетона
3.1. Теоретические основы получения качественного грану лированного пористого заполнителя из растительного сырья 93
3.2. Получение гранулированного торфозаполнителя для легких бетонов и изучение его свойств 99
3.3. Теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства гранулированного заполнителя из торфа и растительного сырья 109
3.4. Статический расчет напряжений в полимерсиликатной защитной оболочке растительных гранул 115
Глава 4. Исследование составов и свойств легкого крупнопористого бетона с повышенными звукпоглощающими характеристиками
4.1. Расчет состава легкого бетона на гранулированном органическом заполнителе 125
4.2. Математическая модель распространения звуковой волны в легком бетоне с направленно изменяемой пористой структурой 137
4.3. Методологические основы разработки легкого бетона с повышенными звукопоглощающими свойствами... 143
4.4. Оптимизация составов легкого бетона на гранулированном торфозаполнителе 151
4.4. Свойства легкого органоминерального бетона с шумопоглощающим эффектом 155
4.6. Изучение напряженного состояния легких бетонов при увлажнении и высушивании 164
4.7. Влажностные режимы стен из легких органоминеральных бетонов 173
Глава 5. Особенности формирования структуры легкого бетона с торфозаполнителем
5.1. Взаимосвязь структуры бетона с геометрическими параметрами пространственного заполнителя 184
5.2. Влияние природных кальцийсодержащих добавок на свойства композиционных материалов 189
5.3. Формирование структуры в органоминеральных системах 202
5.4. Сравнительные характеристики пористой структуры цементных материалов в легких органоминеральных бетонах 219
Глава 6. Опытно-производственное внедрение легких бетонов с повышенной звукопогло щающей способностью и технико- экономическая эффективность их применения
6.1. Выбор оборудования для получения гранулированного заполнителя из торфа и другого растительного сырья 232
6.2. Разработка режимов бетонирования из легкого бето на на гранулированном торфозаполнителе 238
6.3. Проектирование ограждающих конструкций из легкобетонных блоков с торфозаполнителем 246
6.4. Опытно-производственное внедрение результатов исследований 253
6.5. Технико-экономическое обоснование применения легких бетонов с повышенным звукопоглощением 269
Основные выводы по работе 274
Литература 279
Приложения 296
- Характеристики звуковых потоков. Распространение и поглощение звука в строительных материалах
- Методика изготовления образцов и проведения испытаний
- Получение гранулированного торфозаполнителя для легких бетонов и изучение его свойств
- Математическая модель распространения звуковой волны в легком бетоне с направленно изменяемой пористой структурой
Введение к работе
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 теплофизиче-скими 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 Х1У «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, Но-
восибирского государственного аграрного университета, НПО «Сиб-ГЕО», Испытательного центра «СибНИИстрой» и др.
Цель работы. Создание научных основ формирования, 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 торфозаполни-теля 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 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 торфозапол-нителем 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, заключающиеся в формировании легких бетонов на гранулированном органическом крупном заполнителе с направленно изменяемой структурой, эффективно снижающих 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-град) 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 (% мае.) 90-75 : 10-25 или полимерсиликатной композиции из натриевого жидкого стекла и ПВА при соотношении (% мае.) 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 гип-соизвесткового 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 кальций содержащих 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 гидратационно-го твердения, что обусловлено действием адсорбционного энергетического поля вводимых добавок при формировании органомине-рального 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/(мград) 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 внутренняя поверхность стен зданий, возведенных 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 С, 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 со-
противление 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.
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.
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.
Предложены способы гранулирования торфа и другого растительного сырья с защитой поверхности его частиц гипсоизвестко-вой 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 тепло
проводности 0,14-0,31 Вт/(м-град) и повышенные звукопоглощаю
щие свойства за счет формирования направленно изменяемой
структуры.
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».
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.
Достоверность и обоснованность полученных результатов.
Полученные научные положения и выводы подтверждаются результатами многолетних экспериментов, выполненных с применением современных физико-химическим методов исследований, проведенных на аттестованном оборудовании и приборах, а также математической обработкой результатов выполненных исследований.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы исследований, разработана программа теоретических и экспериментальных работ, проанализированы основные научные результаты, разработаны технические условия и рекомендации производства, а также организована практическая реализация научных положений на предприятиях.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы докладывались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных, межвузовских и внутривузовских научных конференциях, семинарах, совещаниях в гг. Новосибирске, Барнауле, Владивостоке, Москве, Челябинске, Бийске, Красноярске, Казани, Томске, Одессе, Полтаве, Харькове, Тарту и других городах России, стран СНГ и Прибалтики с ] 990 по 2009 гг.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано свыше 60 научных работ, включая 3 монографии и 5 патентов и заявок на изобретения, в том числе в реферируемых и рекомендованных ВАК России изданиях с внешним рецензированием -11 статей.
Обьем 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 микроарми-рующих 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.
Характеристики звуковых потоков. Распространение и поглощение звука в строительных материалах
Исследования, приведенные в ряде работ, показывают, что на акустический климат помещений существенное влияние оказывает разработка и внедрение соответствующих шумопоглощающих материалов и изделий на их основе. Звукопоглощающие материалы используются для защиты от шума в различных зданиях и сооружениях. При попадании звуковой волны в пористый материал, воздух, находящийся в порах, приходит в колебание, что способствует переходу части звуковой энергии в тепло за счет сопротивления трения и вязкости воздуха, что способствует рассеянию энергии [6-14, 17-19, 21-23]. Звук, как физическое явление, представляет собой процесс распространения колебательного движения от одних частиц упругой среды к другим, включая и воздушное пространство. Поскольку звук оказывает физиологическое воздействие, определяемое ощущением или восприятием органа слуха человека при нахождении в зоне звуковых колебаний; область пространства, в которой распространяются волны, называется звуковым полем. Передача колебаний в средах совершается с конечной скоростью в виде волн, называемой скоростью звука С. Время полного колебания частицы среды является периодом колебаний Т. Число колебаний в секунду -частота звука/ Расстояние, измеренное вдоль направления распространения звуковой волны между двумя ближайшими точками звукового поля, в которых фаза колебаний частиц среды одинакова, является длиной волны А [1,3,5,10]. Все эти величины связаны соотношениями Звуковые колебания вызывают в воздушной среде чередующиеся повышения и понижения давления относительно атмосферного. Разность между этими давлениями и атмосферным называют звуковым давлением р. Количество звуковой энергии, передаваемой в направлении распространения звуковых волн через единицу площади в единицу времени, является интенсивностью звука где рс - удельное акустическое сопротивление среды, в которой распространяется звук; р - плотность среды. Количество звуковой энергии, содержащейся в единице объема, характеризуется плотностью звуковой энергии W. , Для плоских звуковых волн связь между плотностью, звуковой энергией, интенсивностью и звуковым давлением определяется выражением Звуковое давление и интенсивность звука являются характеристиками звукового поля в определенной точке пространства. Общее количество звуковой энергии, излучаемое источником шума, в окружающее пространство в единицу времени, является звуковой мощностью источника Р. Величины звукового давления, интенсивности звука и звуковой мощности могут изменяться в широких пределах. Звуковое давление изменяется от 2x102 до 2x10"5 Па; интенсивность - от 10 до 10 Вт/м . Пользоваться такими величинами на практике неудобно, поэтому в технической акустике принято оценивать их в относительных логарифмических единицах - децибелах (дБ). Логарифмическая шкала позволяет сократить диапазон значений измеряемых величин, так как каждому делению шкалы соответствует изменение интенсивности звука, звукового давления или мощности не на определенное число единиц, а в определенное число раз. В соответствии с этим, большинство акустических величин определяются в уровнях [1,3,5, 10]. Уровень интенсивности звука определяется по формуле где 10= 10" Вт/м - пороговая величина интенсивности, приближенно соответствующая едва слышимому звуку в частотной области наибольшей чувствительности слуха. Учитывая связь между интенсивностью звука и звуковым давлением, имеем Уровень L называется уровнем звукового давления. Для соответствия уровней L и Li качестве пороговой величины звукового давления принято значение/? = 2x10" Па, соответствующее пороговой интенсивности 10= 10" Вт/м2. Уровень звуковой мощности источника где Р - звуковая мощность источника, Вт; Р0 - пороговая величина зву-ковой мощности, разная 10" Вт. Беспорядочное сочетание звуков различной интенсивности и частоты называется шумом. В наиболее общем виде под шумом подразумеваются любые мешающие человеку звуки. Звуковая энергия, излучаемая источником шума, распределяется по частотам. Частотный состав шума определяется зависимостью уровней звукового давления от частоты, то есть частотным спектром шума. Характер восприятия звука человеком зависит от различной чувствительности уха к звукам разной частоты. Ухо реагирует на одинаковые относительные изменения не только интенсивности звука, но и его частоты. Поэтому в практике измерения шумов и выполнения акустических расчетов принято представлять спектры в полосах частот определенной ширины. Наиболее широко используются октавные и третьоктавные полосы частот.
Методика изготовления образцов и проведения испытаний
Для подбора оптимального состава камыше- и соломо-золошлакобетона и изучения их свойств изготавливались различные виды образцов в соответствии с общепринятыми и ныне действующими методиками строительного материаловедения. Все исходные компоненты, входящие в составы золошлакобетонов с органическими добавками растительного происхождения, отвечали требованиям соответствующих ГОСТ (ов) и Технических условий. При дроблении и рассеве камыша и соломы влажность их не должна превышать 5-7% (масс) во избежание нарушения нормальной работы дробильных и рубильных машин, сортировочных устройств и сит. При выполнении операции защиты отдельных частиц не должна превышать 8-10%. Изделия из золош-лакобетона с растительньш сырьем должны изготавливаться и удовлетворять требованиям ГОСТ 19222-84 с дополнениями.и изменениями, а также техническим условиям и рекомендациям. При испытании легкого бетона с использованием растительного сырья на сжатие изготавливались образцы в виде кубов с длиной ребра: 0,07; 0,1; 0,15 и 0,2 м; для определения предела прочности при изгибе использованы образцы-призмы квадратного сечения 0,04x0,04x0,16 м и 0,1хО,1хО,4м (ГОСТ 10180-90). Определение теплофизических параметров осуществлялось в специальной установке на образцах-плитах размерами 0,25x0,25x0,05м.. Для определения шумо-поглощающей способности легкого бетона на гранулированном торфе и другом растительном сырье готовились цилиндры диаметром 0,10 м различной толщины и испьпывались в соответствующеих акустических установках, (рис. 2.1, 2.2). Для испытания стенового ограждения в заводских условиях изготавливались крупные блоки и панели, которые устанавливались в специальном испытательном помещении - реверберационной камере. Каждый из определяемых показателей выводился как среднее арифметическое значение испытания не менее шести образцов. Разброс показа ний по результатам подсчета не превышал среднестатистического значения. Изменения в структуре материалов, появление новых эффектов, процессов контактирования в системе - минеральное вяжущее : органический (растительный) заполнитель: защитная композиция : минеральный дисперсный наполнитель - проводилось по методикам соответствующих приборов и методов исследования строительных материалов. Дифференциальный термический анализ (ДТА) выполняли на дериватографе ОД-102 системы Ф.Паулик, И.Паулик и Л.Эрдеи со скоростью нагрева 5С в минуту, характер взаимодействия в минеральных и органоминеральных составах определяли рентгенофа-зовым анализом на установке ДРОН-ЗМ; гранулометрические исследования осуществлялись на лазерной установке японского производства, фотоэлектро-колориметрические испытания выполнялись на фотоэлектроколориметрах марки ФЭК-56М и ФЭК60М; кроме того, проводились порометрические и микроструктурньїе исследования, измерение угла смачивания защитных композиций, капиллярная пропитка и другие испытания для оценки структурных превращений в изучаемых материалах, описание методик которых приведено в соответствующих разделах работы. Физико-химические исследования выполнялись с целью более детального уточнения характера и степени взаимодействия и преобразования в многокомпонентных системах при получении орга-номинерального композиционного материала. При этом были использованы различные методы и приборы. Термографические исследования и рентгенофазовый анализ производились в Научно-производственном объединении «СибГЕО». ДТА снимались на дериватографе, который позволяет наряду с дифференциальной кривой нагревания (ДТА) получать кривые изменения веса (ТГ) и скорости изменения веса (ДТГ). Подготовка образцов осуществлялась по методике, описанной в руководстве к дериватографу. Скорость нагрева принималась - 5 в минуту. Рентгенофазовый анализ осуществлялся на установке ДРОН-ЗМ. Образцы готовились по общепринятой методике в виде порошков. Анализ полученных кривых и их расшифровка осуществлялись специалистами лаборатории физико-химических методов исследований НПО «СибГЕО». Микроструктурные исследования производились на аншлифах в экспериментальной лаборатории института твердого тела СО РАН. Срезы образцов конгломератного материала выполнялись в производственных мастерских Новосибирской геологической партии. Автор благодарит за содействие и помощь в проведении ряда исследований сотрудников вышеназванных организаций и лабораторий.
Получение гранулированного торфозаполнителя для легких бетонов и изучение его свойств
Опытные работы по использованию кускового торфа и другого сырья растительного происхождения в качестве структурообразующего крупного заполнителя позволили сделать следующие важные выводы для дальнейших исследований. Для применения торфа и другого растительного сырья в качестве крупного пористого заполнителя и получения легких органомие-ральных бетонов необходимо применить специальные приемы или принципы обработки торфозаполнителя, например, грануляцию. Этот технологический прием позволяет получить прочный легкий заполнитель с ограниченной наружной поверхностью, которая легко может быть защищена любым из вышеприведенных материалов (раздел 2.1). Процесс формирования гранул при прохождении растительной массы (торфа, соломы, камыша, отходов лесопиления) через фильеры можно представить в виде последовательности следующих основных операций. Прессовочная масса заполняет свободные полости и подвергается сжатию плунжером. После преодоления сил упругости над силами трения растительных частиц о стенки канала формируется структура гранулы с заданной плотностью и прочностью, зависящей от адгезионных свойств или связности исходного сырья. В свою очередь эти свойства обусловлены дисперсностью, влажностью и температурой разогрева прессовочной массы. Технологический процесс гранулирования торфа представляет совокупность следующих основных операций. Добытый в карьере торф складируется в бурты для подсушки в естественных условиях, а затем доставляется автомобильным транспортом к месту переработки, где проходит классификацию или сепарацию для выделения крупноразмерных фрагментов древесины, пней, кустарника, камней, мерзлого грунта и т.д. Подготовленный таким образом торф поступает на валковую зубчатую дробилку ("волк-машину"), где происходит достаточно полное измельчение. Далее осуществляется дезинфекция перегретым паром, известковым раствором или мелом в зависи мости от принятой рецептурно- технологической схемы и возможностей производства. Подготовленная сырьевая масса предварительно осушается до оптимальной влажности гранулирования (15 - 20 %) , которая зависит от вида торфа, степени его разложения, водоудерживающей способности, требований к получаемым гранулам и другим технологическим параметрам, а затем направляется в расходный бункер гранулятора. Полученный таким образом гранулированный торфозаполнитель был исследован по всем показателям для установления оптимальных режимов гранулирования и последующей защиты торфяных гранул [84].
Проводимая для устранения вредного влияния экстрактивных веществ органического заполнителя грануляция осуществляется с целью уменьшения его удельной поверхности, и, следовательно, площади контакта с цементным камнем. Однако большинство качественных характеристик гранулированного заполнителя зависят от давления гранулятора на исходную массу. В целях обеспечения интенсификации и высокой производительности гранулятора сырьевая масса подвергалась увлажнению, что улучшало её пластические свойства и формуемость. Опытным путем были определены парметры давления для каждого вида растительного сырья. В среднем они находились в интервалах: от 5 до 20 МПа для торфа; от 15 до 35 МПа для соломы и камыша.
При определенных режимах в процессе грануляции сырья растительного происхождения на поверхности гранул может образовываться защитная пленка связующего, препятствующая непосредственному выделению экстрактивных веществ из растительного заполнителя. Это может способствовать нормализации твердения минерального вяжущего в легком бетоне, однако для торфа, камыша и соломы такой процесс маловероятен.
Исследование свойств гранулированного органического заполнителя для легкого бетона проводились в лабораторных условиях. Испытания осуществлялись на портландцементе марки 400 Д20 Искитимского (Черно реченского) цементного завода- Гранулы испытывали по действующим требованиям к крупному заполнителю бетона.
Гранулы получали по следующей технологии: предварительно отсортированные и измельченные торф или растительное сырье влажностью 7 - 25 % перемешивалось q поливинилацетатной дисперсией, вводимой распылением. Подготовленную органическую массу укладывали в бункер гранулятора, где осуществлялось уплотнение при различном давлении ( от 5 до 35 МПа). Время гранулирования составляла 5-15 с, после чего гранулы подвергали термообработке при 160С в сушильном шкафу в течение 5-10 минут. Влажность гранул после отверждения составляла 4-12%.
Математическая модель распространения звуковой волны в легком бетоне с направленно изменяемой пористой структурой
Для анализа распространения звуковой волны в легком бе-тоне с повышенной шумопоглощающей способностью использовали опыт отечественных и зарубежных исследователей, показавших, что оптимальное содержание волокнистого наполнителя звукопоглощающих материалов для обеспечения развитой межволокнистой пористости и высокой прочности материала при его изготовлении не должно превышать 45 — 55 %. При этом, в качестве контролирующих параметров должны учитываться следующие: удельная внутренняя поверхность, средний диаметр пор, средняя плотность, коэффициент звукопоглощения и прочность материала. Малое содержание волокнистой фазы в смеси приводит к получению крупнопористого материала (средний диаметр пор 600-1000 мкм), относительно неэффективного в плане поглощения звуковых волн. При увеличении содержания волокон более 60% резко снижается прочность материала, а увеличение расхода вяжущего повышает плотность материала и снижает объем межзерновых пор. Это приводит к уменьшению звукопоглощающей способности материала. Была рассмотрена возможность создания эффективного акустического материала с использованием торфа и растительного сырья путем их грануляции и получения крупнопористого легкого бетона, обладающего сквозной направленно изменяемой пористостью за счет расположения крупного заполнителя в теле конструкции по гранулометрическим параметрам - от мелких фракций к крупным и далее опять к мелким. Такой подход должен обеспечить поглощение шума во всех звуковых частотах. Анализ экспериментальных и теоретических исследований в области формирования структуры из волокнистых и дисперсных компонен тов позволил сделать предположение о возможности формирования высокопористых материалов комбинированной пористой структуры с хорошими физико-механическими и звукопоглощающими свойствами при выполнениии следующих условий: максимальное сближение волокон при формирования гранулированного заполнителя из торфа или камыша; обеспечение высокой адгезии между основными фрагментами легкого бетона: растительным волокнистым сырьем, связующим компонентом, полимерсиликатной защитной оболочкой, цементной матрицей; создание в твердеющем крупнопористом бетоне на минеральной связке условий для формирования высокоразвитой пористой структуры с различным диаметром пор. Выполнение перечисленных условий должно привести к следующим положительным моментам. Первое условие обеспечивает возможность получения каркаса материала с мелкопористой волокнистой структурой в гранулах крупного заполнителя из торфа. Второе условие способствует получению материала с высокими физико-механическими показателями. При выполнении третьего условия достигается максимальное использование ограниченного количества вяжущего, вводимого в систему, а также формируется различная дисперсность волокнообразных и порошкообразных частиц твердой фазы. За основу при формировании математической модели легкого бетона с направленно изменяемой пористой структурой были приняты разработки, наиболее отвечающие решению поставленной задачи, в которых в качестве акустических параметров материала приняты волновое сопротивление W и постоянная распространения у (1/м). Эти величины состоят из двух элементов: где Wo, Wj — действительная и мнимая составляющие величины W; где а — показатель затухания амплитуды звукового давления, /3— фазовая постоянная, показывающая, с какой частотой и скоростью распространяется колебательный процесс. Для учета особенностей конкретного материала дополнительно в математическую модель вводятся следующие показатели: пористость Н; размер пор D; извилистость q. Пористость определяется по следующей формуле: где рт — плотность пористого материала, кг/м"5; pd — плотность стенок поры (скелета), кг/м. Поскольку известно, что акустические свойства материала в большой степени зависят от его плотности pd и плотности и структуры исходного сырья [17, 18], в общую схему расчета вводится безразмерный параметр М, характеризующий структурные особенности материала, который определяется по следующей формуле: где р0 — плотность воздуха; 10"3 — нормировочный множитель. Основной задачей построения математической модели является установление аналитических зависимостей для материалов с различной макроструктурой и определяемых функций: При этом появляется возможность установления взаимосвязей по показателям, определяющим как исходные свойства материала, так и влияние отдельных элементов на другие параметры и величины акустических свойств.
