Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 11
1.1. Совместная работа бетона и пенополистирола в ограждающих конструкциях 11
1.2. Вопросы экологической опасности пенополистирола и способы ее нейтрализации 15
1.3. Природно-климатические особенности Приморского края 21
1.4. Газо-, водо-, паропроницаемость бетона 25
1.5. Теоретические предпосылки создания цементных композитов повышенной непроницаемости 28
1.6. Выводы 37
2. Методы исследования и применяемые материалы 39
2.1. Методы исследований 39
2.1.1. Изучение строения и состава материалов 39
2.1.2. Определение физико-механических характеристик образцов 48
2.1.3. Математическое планирование и статистическая обработка результатов экспериментов 2.2. Применяемые материалы 56
2.3. Выводы 63
3. Повышение эффективности композиционного вяжущего для мелкозернистого фибробетона 64
3.1. Исследование токсического воздействия пенополистирола 64
3.2. Проектирование композиционного вяжущего для создания высоко плотной структуры цементного камня 71
3.2.1. Исследование свойств применяемых компонентов 72
3.2.2. Механоактивация компонентов при производстве композиционных вяжущих 80
3.2.3. Свойства композиционного вяжущего в зависимости от состава... 83
3.3. Исследование пористости цементного камня 88
3.4. Синергетическое действие компонентов вяжущего 92
3.5. Выводы 95
4. Исследование состава и свойств мелкозернистых фибробетонов на разработанном композиционном вяжущем
4.1. Подбор состава мелкозернистого бетона повышенной непроницаемости. 97
4.2. Свойства бетонной смеси и бетона 101
4.3. Воздухопроницаемость и водопроницаемость в зависимости от состава 104
4.4. Влияние структуры на паропроницаемость фибробетона 107
4.5. Водопоглощение мелкозернистого бетона на композиционном вяжущем 115
4.6. Диффузионная проницаемость в зависимости от свойств фибробе-тона 117
4.7. Выводы 122
5. Внедрение и технико-экономическое обоснование 124
5.1. Разработка технической документации 124
5.1.1. Технологический регламент на производство композиционного вяжущего 124
5.1.2. Рекомендации по проектированию и применению фибробетонов повышенной непроницаемости
5.2. Внедрение результатов диссертации 131
5.2.1. Натурные исследования проницаемости внедренных многослойных стен 132
5.3. Расчет тепловлажностного режима ограждающих конструкций 134
5.3.1. Типы конструкций на разработанных материалах и область их анализа 134
5.3.2. Конструирование наружных стен с учетом тепловой защиты здания 135
5.3.3. Конструктивный расчет несущей способности стен из фибробето-на, утепленных внутри пенополистиролом 137
5.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности выпуска разработанного композиционного вяжущего 138
5.4.1. Технико-экономический анализ конструкций наружных несущих стен малоэтажного здания с учетом потребительских свойств 140 5.5. Выводы 152
Заключение 153
Библиографический список
- Вопросы экологической опасности пенополистирола и способы ее нейтрализации
- Определение физико-механических характеристик образцов
- Проектирование композиционного вяжущего для создания высоко плотной структуры цементного камня
- Влияние структуры на паропроницаемость фибробетона
Введение к работе
Актуальность. Важнейшей задачей современности являются
снижение энергоемкости получения эффективных строительных
композитов, улучшение экологической обстановки, оптимизация системы
«человек-материал-среда обитания». Эти проблемы характерны
и для Дальневосточного региона Российской Федерации, приоритетное развитие которого является важнейшей государственной задачей.
Промышленность строительных материалов широко использует
в виде конструкционного материала бетон на цементном вяжущем
и природных заполнителях, а в качестве теплоизоляции – пенополистирол.
В тоже время в Дальневосточном регионе в результате деятельности
предприятий горнодобывающей промышленности и топливно-
энергетического комплекса образуются крупнотоннажные отходы золы и отсевов дробления на щебень горных пород различного состава.
Представляется необходимым оптимизация процессов
структурообразования бетонных смесей за счет использования
промышленных отходов, что позволит повысить прочностные
характеристики и значительно снизить проницаемость композитов при защите теплоизоляционного слоя из пенополистирола. Это будет способствовать снижению негативного воздействия от вредных выделений пенополистирола при эксплуатации ограждающих конструкций, особенно в экстремальных условиях, а также улучшения экологической обстановки в регионе за счет использования промышленных отходов.
Диссертационная работа выполнена по заданию Федерального
агентства по образованию на проведение научных исследований
по тематическому плану научно-исследовательских работ МД-2906.2007.8
«Методические принципы проектирования композиционных вяжущих
при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом
типоморфизма сырья», в соответствии с проектом «Разработка
и оптимизация энерго-, ресурсосберегающих технологий производства
и применения эффективных строительных материалов, изделий
и конструкций», в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России» на 2009-2013 г.г., внутривузовского гранта
«Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном
материаловедении» на 2012-2014 г.г., Программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г.г.
Степень разработанности. Проблеме повышения плотности
и прочности бетонов посвящено большое количество работ как российских,
так и зарубежных ученых. Известно, что одним из способов повышения
эксплуатационных характеристик бетонов, снижения параметров
проницаемости является использование высокоактивных добавок
различного состава и генезиса, как микро-, так и нанодисперсного уровня, которые способствуют оптимизации процессов структурообразования
за счет инициирования формирования гидратных соединений.
Так в работах, выполненных ранее, была доказана эффективность
использования в качестве активной минеральной добавки
наноструктурированного модификатора кремнеземсодержащего состава. Кроме того, изучены возможности снижения параметров проницаемости бетона за счет механического измельчения компонентов композиционного вяжущего (КВ). Однако защитные свойства (в совместной работе с пенополистиролом) и эффективность применения высокоплотных непроницаемых бетонов, полученных на основе композиционного вяжущего, не рассматривались.
Цель работы. Повышение непроницаемости и прочностных характеристик фибробетона за счет использования композиционных вяжущих на сырьевых ресурсах Дальнего Востока, полученных путем совместного помола цемента, гиперпластификатора, золы уноса ТЭЦ и отсева дробления известняка.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение минерального и гранулометрического состава и физико-
механических характеристик компонентов вяжущих и заполнителей
для бетона;
исследование характера влияния минеральных и органических добавок на свойства композиционных вяжущих;
изучение зависимости свойств фибробетонов от характеристик композиционного вяжущего с учетом особенностей формирования структуры для повышения непроницаемости и прочностных характеристик;
- исследование характеристик водопоглощения, газо-, водо-
и паропроницаемости разработанных бетонов;
- опытно-промышленная апробация предложенных составов.
Научная новизна работы. Установлен характер влияния цементно-
зольно-известнякового композиционного вяжущего, полученного
совместным помолом с гиперпластификатором в варио-планетарной
мельнице, на процесс структурообразования. Тонкомолотые активные
минеральные добавки выступают центрами кристаллизации
новообразований; частички золы способствуют связыванию Ca(OH)2,
выделяющемуся при твердении алита интенсифицируя процесс гидратации
клинкерных минералов; наличие зерен тонкомолотого известняка
приводит к образованию гидрокарбоалюминатов кальция. При этом
оптимизация структуры цементного камня способствует снижению
усадочных деформаций, пористости и газо-водонепроницаемости системы.
Установлена возможность повышения непроницаемости бетона
за счёт варьирования количества и вида добавок, тонкости помола
компонентов композиционного вяжущего и условий твердения.
Это позволяет создавать материалы для многослойных ограждающих
конструкций с пределом прочности при сжатии свыше 100 МПа, с низкой проницаемостью в реальных условиях эксплуатации, и используя при этом до 60% промышленных отходов.
Выявлена зависимость влияния состава новообразований,
пористости цементного камня и фибробетона на проницаемось композита
в наномасштабном уровне за счет использования композиционных
вяжущих с полидисперсными минеральными добавками; на микроуровне
за счет создания высокоплотной упаковки заполнителя и введения
гиперпластификатора; за счет применения стальной и базальтовой фибры –
на макроуровне. Это позволило разработать широкую номенклатуру
мелкозернистых фибробетонов с паропроницаемостью до 0,021
мг/(мчПа), водопроницаемостью до W14, воздухопроницаемостью до 0,0253 см3/с, водопоглощением по массе до 2,5%, газопроницаемостью, эффективным коэффициентом диффузии до 1,3410-4 см2/с и высокими прочностными характеристиками.
Достоверность результатов работы и выводов обеспечена систематическими исследованиями с применением стандартных средств и методов измерения, использованием комплекса современных физико-химических методов анализа, РФА и ДТА, электронной микроскопии, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований.
Теоретическое и практическое значение работы.
Предложены составы композиционных вяжущих на основе совместного помола портландцемента, золы уноса, отсева дробления известняка и пластифицирующей добавки с обеспечением активности вяжущего 77,3 МПа.
Предложены составы композитов на основе вяжущих
с использованием промышленных отходов Дальневосточного региона для возведений зданий и сооружений с Rсж свыше 100 мПа, паропроницаемостью 0,021 мг/(мчПа), водопроницаемостью W14, воздухопроницаемостью 0,0253 см3/с, водопоглощением по массе 2,5% и эффективным коэффициентомом диффузии 1,3410-4 см2/с. Расширена сырьевая база для производства фибробетона, благодаря применению кислой золы ТЭЦ-2 г. Владивостока, что позволяет снизить себестоимость 1 м3 продукции без ухудшения эксплуатационных показателей, а при крупнотоннажном производстве – улучшить экологию Приморского края.
Разработана многослойная конструкция стены с применением фибробетона с повышенными характеристиками непроницаемости.
Методология и методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались с помощью реализации системного подхода в триаде «состав (сырье) – структура – свойства». Исследования проводились с использованием общепринятых физико-механических и физико-химических методов оценки качества сырьевых и синтезированных
материалов, а также готовых изделий. Токсические испарения при
деструкции пенополистирола определялись с помощью газовой
хроматографии и масс-спектрометрии.
Внедрение результатов исследований. Результаты
диссертационной работы стали основой для получения патента РФ №138772 и внедрены при ремонте зданий в г. Владивосток и г. Артем Приморского края. Для широкомасштабного внедрения работы разработан комплект документов: технологический регламент на производство композиционного вяжущего на основе цемента, золы уноса ТЭЦ и известняка, и рекомендации по проектированию и применению фибробетонов повышенной непроницаемости.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты
экспериментальных лабораторных исследований и промышленного
внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров
и магистров по направлениям 08.03.01 «Строительство» профиль
подготовки «Производство строительных материалов, изделий
и конструкций» и 08.04.01 «Строительство» профиль подготовки «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и российских научно-практических конференциях: «Эффективные строительные композиты» (2–3 апреля 2015 г., г. Белгород), «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (24–26 марта 2015 г., г. Грозный); Innovation-2013: Proceedings of the conference (Tashkent, 2013); Forum of the Asia-Pacific Region Countries (Vladivostok, Russia. Far-Eastern National Technical University. 2010); XVI Всероссийская науч.-техн. конф. «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2010); VII Всеросс. науч. практ. конф. «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 статей в центральных рецензируемых изданиях, 1 патент РФ.
На защиту выносятся:
- механизм повышения эффективности композиционных вяжущих,
полученных за счет совместного измельчения цемента, органических
и минеральных добавок;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований
свойств и структуры композиционного вяжущего;
- составы и свойства фибробетона с высокими характеристиками паро-водо-воздухонепроницаемости;
- вопросы оптимального дисперсного армирования мелкозернистого
бетона на гранитном заполнителе;
- технико-экономическое обоснование и внедрение результатов
исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 141 наименования и 7 приложений. Общий объем работы изложен на 176 страницах. Основной текст диссертации – 154 страниц, включая 44 рисунка и 48 таблиц.
Вопросы экологической опасности пенополистирола и способы ее нейтрализации
По экологической опасности пенополистирола опубликовано много работ [76-83]. Воздействие, оказываемое этим материалом на окружающую среду и здоровье человека, являются одними из приоритетных параметров безопасности. При строительстве зданий большое внимание уделяется аспектам здоровья. В настоящее время в строительной сфере принята концепция HSE (Health, Safety, Environment – здоровье, безопасность, окружающая среда), вводится добровольная Система сертификации «Зеленые стандарты», зарегистрированная 18 февраля 2010 года Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, разработанная в рамках реализации планов Министерства природных ресурсов России по введению проекта националь 16 ного стандарта «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости» [79].
Следует отметить наличие на российском рынке широкой номенклатуры пенополистирола, как отечественного, так и зарубежного производства.
Практика массового применения в России при строительстве зданий экологически чистого полистирольного пенопласта, например, изготавливаемого ЗАО «Сибур-Химпром» (г. Пермь), подтверждает возможность его безопасного использования и не требует применения дополнительного специального защитного слоя из материалов с высокой непроницаемостью.
В то же время, наводнивший Дальний Восток пенополистирол зарубежного производства, в большинстве своем не отвечает требованиям российских санитарных норм по ПДК свободного стирола.
Пенопласты с точки зрения физической химии представляет собой дисперсные полимерные системы, которые имеют весьма высокую поверхность контакта с кислородом, поэтому неизбежно будут окисляться. Они за счет своей пористости имеют большую поверхность и окисляются с большей скоростью по сравнению с аналогичными, но монолитными массивными полимерами; для любого пенопласта неизбежно следует предположить некое конечное и весьма ограниченное время эксплуатации, когда его эксплуатационные свойства будут удовлетворять допустимым пределам. С повышением температуры скорость окисления возрастает, поэтому все пенопласты являются пожароопасными материалами. Пенопласты также окисляются и при комнатных температурах, то продукты такого окисления негативно воздействуют на окружающую среду. Следует отметить, что все пенопласты неизбежно обладают тремя негативными эксплуатационными свойствами: недолговечностью, пожароопасностью и экологической небезопасностью [84].
Основная токсикологическая опасность полистирола (ПС) и его производного - пенополистирола заключается в том, что ПС относится к равновесным полимерам, которые при обычных условиях эксплуатации подвержены процессу деполимеризации и в результате уже при обычных условиях эксплуатации ПС находится в равновесии со своим высокотоксичным мономером – стиролом, который из любой конструкции постоянно испаряется [43].
Стирол – бесцветное прозрачное вещество с химической формулой C8Н8. В нормальном состоянии – жидкость, замерзающая при температуре -31С, а закипающая – при +145С. Основной метод получения стирола – каталитическое дегидрирование этилбензола, который в дальнейшем как примесь сопровождает стирол и попадает в состав ПС и ППС. Технический этилбензол (из которого получают стирол), в свою очередь содержит примеси бензола, толуола, кумола, этилтолуола и др. [85].
При окислении стирола кислородом воздуха образуется бензальдегид и формальдегид. Международное агентство по исследованию рака, являющееся частью всемирной организации здравоохранения, признало, что накоплено достаточно данных, что это вещество может вызывать онкологические заболевания (повышенный риск развития раковых опухолей носоглотки).
Согласно [80] за период эксплуатации разлагается до 10–15% пенопо-листирола, причем разложившаяся часть — на 65% стирол, который имеет повышенные кумулятивные свойства — накапливается в печени, но не выводится. От микродоз стирола страдает сердце, особые проблемы возникают у женщин.
Стирол 0,7005 Таким образом, даже при содержании стирола на уровне ПДК (0,002 мг/м3), он будет оказывать сильное токсическое действие на организм человека за счет кумуляции (накопления).
Концентрация стирола в полистироле зависит от температуры (повышение температуры вызывает повышение концентрации стирола). При температуре 25С концентрация стирола в полистироле составляет 10,6 Кмо-лей/м3. Так как, один Кмоль ПС составляет 104 грамма, то при 25С в 1 м3 ППС будет содержаться 104 микрограмм стирола, что очень много с учетом того, что величина ПДК для развитых стран составляет 0,002 мг/м3 для воздуха населенных мест и помещений.
Согласно данным Ростовского мединститута [78], регулярное воздействие стирола на организм человека вызывает функциональное расстройство центральной и вегетативной нервной системы. Стирол отрицательно воздействует на кровь человека, вызывая лейкоз, оказывает сильное воздействие на печень, вызывая среди прочего и токсический гепатит. Особая опасность стирола состоит в том, что он обладает эмбриогенным действием, при длительном воздействии вызывает уродство плода в чреве матери.
Кроме того, продуктами деструкции ППС являются этилбензол и толуол. Человек, вдыхающий пары этилбензола, начинает испытывать следующие симптомы: сильную усталость, постоянную сонливость, острую головную боль. Также появляется зудящее ощущение в ротовой полости, носу и животе. Глаза начинают слезиться, а дыхание становится тяжелым. Этилбен-зол также пагубно влияет на работу мышц и приводит к нарушениям координации. При более длительном воздействии токсин может привести к серьезным заболеваниям печении, крови. На сегодняшний день ученые провели ряд исследований, на основе которых удалось установить, что испарения толуола и этилбензола способны вызывать злокачественные образования.
Определение физико-механических характеристик образцов
Результаты измерений вы свечиваются на дисплее. В приборе дисперсионного анализа ПСХ-11 использован общепринятый в миро-Рисунок 2.8 - Прибор ПСХ-11 вой практике метод газопроницаемости Козени и Кармана. Коэффициент газопроницаемости образцов с открытой пористостью или слоя порошка определяют по продолжительности фильтрации через него воздуха при фиксированном начальном и конечном разрежении в рабочем объеме прибора.
В приборе ПСХ-11 измерения и расчеты параметров осуществляет исполнительный механизм и управляющие им встроенные процессоры, работающие по специально созданной программе. Дозировано уплотнение порошка посредством специально сконструированного ручного пресса, автоматизировано измерение высоты и газопроницаемости слоя порошка. Использован высокоточный безинерционный электронный датчик давления. Специальный датчик измеряет температуру фильтруемого воздуха, которая автоматически учитывается в расчете его вязкости и соответственно – в изменении газопроницаемости и удельной поверхности порошков.
Испытуемый порошкообразный материал помещается в гильзу слоем определенной толщины, в дальнейшем создается разрежение при помощи водоструйного насоса. Используя регулятор прибора при открытом кране, создается разрежение, при котором жидкость, находящаяся в закрытом колене манометра-аспиратора начинает перемещаться из закрытого колена в открытое из-за разности уровней, при этом происходит прохождение воздуха через слой находящегося в гильзе материала. Продолжительность прохождения определенного объема воздуха через слой порошкообразного материала зависит от величины его удельной поверхности, что позволяет вычислить ее величину.
Расчет производится по формуле: т , где S - значение удельной поверхности, К - постоянная прибора (указана в паспорте прибора); М - значение, зависящее от высоты слоя порошка и температуры окружающего воздуха (определяется по таблице); t - время прохождения жидкости между рисками, с;т- масса навески, г.
Предел прочности на сжатие при статическом действии нагрузки. Предел прочности на сжатие при статическом действии нагрузки определялся по ГОСТ 310.4-81. Призменная прочность и модуль упругости определялись по ГОСТ 24452. Испытывались кубы с ребром 70 мм (рис. 2.9).
Предел прочности при сжатии отдельного образца вычисляют как частное от деления величины разрушающей нагрузки на рабочую площадь пластинки. Предел прочности при сжатии вычисляют как среднее арифметическое значение четырех наибольших результатов испытания шесть образцов. Пористость. Пористость цементного камня определяли на образцах размерами 1х1х3 см и 3х3х3 см. Структуру цементного камня исследовали в возрасте 28 сут. Пористость определяли рядом взаимно дополняющих методов, а именно: протонного магнитного резонанса с диапазоном измерений пор диаметром 1х10-3…1х10-1 мкм [22]; малоугловой рентгеновской дифракцией с диапазоном измерений 2х10- 3… 3х10-1 мкм; ртутной порометрией с измеряемым диапазоном 1х10-1...4х10 мкм; оптической микроскопией шлифов с диапазоном измерений 4х10…1х103 мкм.
С помощью рентгенофазового анализа определяли степень гидратации цемента и содержание низкоосновных гидросиликатов кальция — CSН (I). Идентификацию фаз проводили по международной таблице JCPDS. Степень гидратации определяли по интенсивности основного рефлекса C3S. Количество CSH (I) устанавливали в результате сравнения интенсивности основного рефлекса b-CS, полученного на обожженных при 1000оС образцах цементного камня, с эталоном (кварцем).
Удобоукладываемость (подвижность). Испытания проводили по ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний». Удобоукладывае-мость бетонной смеси оценивалась показателем подвижности. Подвижность бетонной смеси оценивают по осадке (ОК) конуса, отформованного из бетонной смеси.
Перевернутый конус заполнялся свежеприготовленной бетонной смесью без уплотнения. Через 90 секунд после наполнения конус поднимался вверх. Сразу включался секундомер. По мере достижения смесью диаметра 500 мм, а также после завершения процесса растекания осуществлялась фиксация времени. После завершения растекания определялся максимальный диаметр расплыва бетонной смеси.
Паропроницаемость определяют согласно UNI EN ISO 12572. Для определения паропроницаемости для сухого климата используют образцы размером 200100 мм или круглые диаметром 200 мм с толщиной до 70 мм. Образцы помещают на стеклянные лотки, внутри которых находиться предварительно подготовленный силикагель. Образец обмазывают по боковым граням растопленным воском, затем приматывают бумажным скотчем по периметру к стеклянному лотку и еще раз обмазывают воском поверх скотча таким образом, чтобы герметизировать верхнюю и нижнюю кромку прилегания клейкой ленты. Далее помещают в климатическую комнату с постоянной температурой и влажностью (23С; 50% О.В). Измеряют массу колбы каждое утро/вечер, при необходимости (при измерение паропроницаемости высокопроницаемых пленок) следует участить измерения. При стабилизации изменения массы во времени, программно рассчитывают паропроницаемость материала, исходя из заложенных данных: площади пропускаемой поверхности образца, толщины образца, относительных влажностей на разных поверхностях материала, толщины воздушной прослойки между образцом и силикаге-лем (для силикагеля принимается относительная влажность равная 3%).
Паропроницаемость для влажного климата определяется подобно па-ропроницаемости для сухого климата, только вместо силикагеля в колбу наливается насыщенный раствор соли, поддерживающий относительную влажность 97%.
Диффузионная проницаемость бетона. Газопроницаемость устанавливали по эффективному коэффициенту диффузии СО2 в карбонизированном слое бетона на образцах-кубах с ребром 100 мм [77].
Диффузионная проницаемости бетона определялась по ГОСТ Р 52804-2007. Настоящий метод устанавливает порядок испытаний диффузионной проницаемости бетона для углекислого газа на основании данных о скорости нейтрализации (карбонизации) бетона углекислым газом, в отсутствие градиента общего давления газовоздушной среды, при наличии разности концентрации углекислого газа в бетоне и окружающей среде в период, когда процесс нейтрализации ограничен скоростью диффузии углекислого газа в пористой структуре бетона.
Проектирование композиционного вяжущего для создания высоко плотной структуры цементного камня
Паропроницаемость характеризуется способностью пропускать или задерживать водяной пар в результате парциального давления водяного пара при одинаковом давлении на обеих сторонах материала. Паропроницаемость зависит от физических свойств материала, в частности от плотности структуры, определяемой поровым пространством. Материал большей плотности соответствует меньшему значению коэффициента паропроницаемости.
Паропроницаемость определяется экспериментальным путем согласно Указаниям UNIENISO 12572 для сухого и влажного климата. Результаты исследования разработанного мелкозернистого бетона на различных составах композиционного вяжущего представлены в табл.4.7.
Результаты испытаний образцов мелкозернистого бетона в зависимости от состава вяжущего на паропроницаемость показали, что наилучшие показатели имеют образцы составов № 2 и №3, приготовленные из оптимальных соотношений цемента, золы и известняка. Сравнивая показатели паропроница-емости этих составов с составом №1, приготовленном на традиционном цементе (0,03мг/(мчПа), следует отметить, что показатели паропроницаемости разработанных составов №2 и №3 снижаются по сравнению с составом №1 соответственно для сухого климата на 31% и 18% и для влажного климата на 17% и 30%. Эти результаты свидетельствует о формировании плотной структуры мелкозернистого бетона.
Увеличение тонкости помола композиционного вяжущего способствует созданию микрокапиллярной структуры и значительному снижению объема макрокапилляров, и, таким образом, уменьшению паропроницаемость (как впрочем, и других видов проницаемости бетона).
Рассматривая влияние водоцементного отношения на проницаемость мелкозернистого фибробетона, следует особо отметить явление седиментации, вызываемой высокой подвижностью цементного теста, а также различными показателями объемной массы и конфигурации заполнителя и дисперсной арматуры. Расслоение фибробетонной смеси заключается в осаждении вначале более крупных фракций, составляющих смесь. В ходе расслоения выжимается свободная вода, которая, поднимаясь вверх, обтекает зерна заполнителей, образуя сеть сообщающихся капилляров. Подобное выжимание воды обусловливает наружное водоотделение, скопление воды на горизонтальных поверхностях бетонных образцов, при этом верхний слой бетона становится более пористым. При внутреннем водоотделении часть воды скапливается под нижними поверхностями частиц заполнителей и образует полости, параллельные слоям укладки бетона.
Седиментация бетонной смеси была выявлена в большей или меньшей степени в образцах № 4, № 5 и № 6. У образцов № 2 и № 3, а также у контрольного образца № 1 процесс седиментации не был отмечен.
Для определения влияния дисперсного армирования на седиментацию были заформованы образцы как с фиброй, так и без нее. Вывялено, что равномерное распределения большого количества по разному ориентированных фибр в бетоне противодействует водоотделению, седиментации, упрочняет контактную зону «заполнитель – цементный камень», препятствует трещи-нообразованию, повышает плотность и образцов.
Кроме того, выявлено положительное влияние дисперсного армирования на паропроницаемость бетона. Это связано с тем, что присутствие соответствующим образом подготовленной и равномерно распределенной фибры в значительной степени затрудняет процессы изменения объема в твердеющем бетоне, предупреждая возможности появления и раскрытия трещин различного происхождения.
Фибра эффективно повышает способность бетона поглощать энергию внутренних (усадка) и внешних (динамическая нагрузка, вибрация, внешняя нагрузка) граничных напряжений.
Апробация полученных результатов по паропроницаемости осуществлялась для защиты внутренних помещений и утеплителя от влаги для стеновой конструкции зданий Владивостокского морского собрания, согласно СНиП 23-01-2003 и СП 23-101-2004.
Наружные стены выполнены монолитными с внутренним утеплением экструзионным пенополистиролом. Использована монолитная фибробетон-ная стена с применением разработанной несъемной опалубки. Конструкция состоит из наружного фибробетонного слоя толщиной 50 мм, затем укладывается внутренний слой экструзионного пенополистирола толщиной 120 мм, следующий слой фибробетона толщиной 100 мм и внутренний фибролитовый лист толщиной 25 мм (рис. 4.1).
Следовательно, ограждающая конструкция удовлетворяет нормативным требованиям в отношении сопротивления паропроницанию.
Таким образом, установлено, что в образцах № 2 и № 3 за счет оптимизации состава бетонной смеси происходит снижение показателей паропрони-цаемости, которые находятся в рамках показателей, не допускающих выпадения конденсата как на внутренних поверхностях многослойной стены жилого здания, так и в пределах толщи утеплителя.
Водопоглощение по массе является одним из важнейших свойств бетона, от численного значения водопоглощения бетона зависят и другие основные физико-технические показатели, такие, как морозостойкость, коррозионная стойкость, деформационные характеристики.
Влияние структуры на паропроницаемость фибробетона
Оценку технико-экономической эффективности ограждающих конструкций (разработанной соискателем и трех наиболее типичных для юга Дальнего Востока) произведем с учетом их потребительских свойств по методике функционально-стоимостного анализа.
При сравнении вариантов необходимо определить значения коэффициентов потребительской стоимости требований-функций второго уровня функциональной схемы по суммирующей формуле. Для этого у варианта, обладающего максимальным потребительским свойством, согласно его расчетной характеристике принимаем значение коэффициента потребительской стоимости равным 1, а у остальных вариантов значения определяем по соотношению расчетных характеристик в виде доли.
Для оценки разработанного состава бетона, рассмотрим его в сравнении с тремя наиболее применяющимися на юге Дальнего Востока стеновыми конструкциями.
Вариант № 1. Монолитная железобетонная стена с применение несъемной опалубки из пенополистирола (наружный слой – 100 мм, внутренний – 50 мм); с отделкой снаружи керамической плиткой и изнутри ГКЛ (рис. 5.5).
Требования-функции, связанные с безопасностью конструкции, должны выполняться вне зависимости от рассматриваемого варианта и обладать запасом сопротивления внешним воздействиям в пределах, не менее требуемых нормами. Согласно функциональной схеме на безопасность конструкции влияют следующие требования-функции: несущая способность, теплозащита, пожарная и экологическая безопасность.
Несущая способность и устойчивость ограждающих конструкций складывается из обеспечения сопротивления конструкции нагрузкам в процессе эксплуатации от собственного веса, ветра и деформаций несущих элементов. В вариантах № 1 и № 2 применены стандартные опалубочные блоки, обеспечивающие толщину монолита стены 150 мм, что позволяет возводить здания не более 5 этажей высотой.
Вариант № 3 является экспериментальным: здесь зазор между стенками опалубочного блока составляет 180 мм, что позволяет увеличить толщину железобетонной монолитной стены и следовательно увеличить ее несущую способность.
Вариант № 4 предложен соискателем (рис.4.1), где благодаря разнесению двух железобетонных слоев, значительно увеличивается устойчивость. Толщину стены 270 мм (50 мм - сборный фибробетон, 120 мм - ППС, 100 мм - монолитный фибробетон) принимаем за единицу, а для остальных вариантов коэффициенты потребительской стоимости вычисляем пропорционально по толщине несущего слоя: р 1:р 2 :р1:р4= — : 150 : 180 : 270 =0,56:0,56:0,67:1 270 270 270 270 Следующим требованием-функцией, влияющим на безопасность конструкции является требование теплозащиты, оцениваемое по приведенному термическому сопротивлению, рассчитанному ранее. Максимальное термическое сопротивление (4,32 м2С/Вт) принимаем за единицу, а для остальных вариантов коэффициенты потребительской стоимости вычисляем пропорционально: 4 4,21 4,32 2,99 3,00 р 1 : р:р 3 : p = 0,97:1:0,69:0,69 2 2 2 2 4,32 4,32 4,32 4,32 Пожарная безопасность конструкций наружных стен оценивается по пределу огнестойкости и пределу распространения огня [71]. Принимая, что обе характеристики имеют примерно одинаковую потребительскую важность, то для них можно принять равное значение веса - 0,5.
Согласно нормативным документам, конструкции, выполненные только из несгораемых материалов, следует считать не распространяющими огонь. Все три конструкции выполнены из несгораемых материалов (пено-полистирол при повышении температуры плавится, но не горит), и значение коэффициентов потребительской стоимости для них принимаем равным 0,5.
Для наружных стен предельным состоянием по огнестойкости является только потеря несущей способности конструкций и узлов. Предел огнестойкости конструкции определяем по потере несущей способности. Пределы огнестойкости и класс пожарной опасности основных строительных конструкций домостроительной системы «Изодом», соответствуют требованиям, предъявляемым СНиП 21-01-97 к основным конструкциям зданий II степени огнестойкости, что подтверждено экспертным заключением ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко №3 дс-05. Это относится ко всем трем вариантам. В то же время хочется обратить внимание на надежную защиту пенополистирола в варианте № 4, поэтому коэффициент потребительской стоимости для данного варианта принимаем равным 0,5, а для остальных трех вариантов принимаем равным 0,4.
К экологически безопасным относятся материалы, не опасные для здоровья человека при их применении на открытых поверхностях стен и перекрытий, производимые из безвредных природных материалов, не наносящих ущерб равновесию в природе в результате их разработки, не дающие вредных выбросов при производстве, не опасные при транспортировке и захоронении [128].
Экологическую безопасность конструкций стен при рассмотрении можно разделить на две составляющие примерно одинаковой важности. К первой составляющей отнесем влияние изготовления и захоронения применяемых материалов на экологию и окружающую среду, а ко второй – влияние этих материалов в конструкции стены на здоровье людей.
Основной задачей диссертации было заявлена разработка высокоплотного бетона, обеспечивающего непроницаемость токсических паров стирола. Поэтому вторую составляющую потребительских свойств «экологическая безопасность» у всех вариантов можно принять равной 1. Для остальных вариантов такая защита не гарантирована, поэтому для них принимаем коэф фициент 0,9. При рассмотрении первой составляющей, ее можно также разделить на влияние при изготовлении и захоронении.
Все материалы, применяемые в конструкциях, могут использоваться вторично в качестве заполнителя и не требуют специальных мероприятий при захоронении. Поэтому для всех вариантов можно принять одинаковый потребительский коэффициент – 0,5.
При изготовлении входящих в конструкцию материалов расходуются невозобновляемые энергоресурсы, чем больше энергетические затраты на изготовление материалов, тем больше нанесен урон энергоресурсам Земли. Для сравнения вариантов конструкций стен, сопоставим значения топливно-энергетических затрат в килограммах условно топлива на изготовление основных материалов, рассчитанных в ранее. Принимая минимальный расход энергоресурсов за единицу, определим значения коэффициента потребительской стоимости «экологическая безопасность» для рассматриваемых вариантов: р41 = 0,51+0,251+0,25(53/63)=0,96; р42 = 0,51+0,251+0,25(53/72)=0,93; р43 = 0,51+0,251+0,25(53/67)=0,95; р43 = 0,51+0,251+0,25(53/53)=1.