Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1 Анализ опыта применения гипсосодержащих строительных материалов на Ближнем Востоке и в других странах мира 10
1.2 Минерально-сырьевая база для развития стройиндустрии в странах Ближнего Востока 20
1.3 Климат в регионе Ближнего Востока 31
1.4 Гипсосодержащие композиты для «зеленого» строительства 32
1.5 Выводы к главе 36
2. Методы исследований и применяемые материалы.. 37
2.1 Методы исследований 37
2.1.1 Рентгенофазовый анализ 37
2.1.2 Дифференциальный термический анализ 38
2.1.3 Изучение микроструктуры гипсоцементного камня 39
2.1.4 Изучение свойств мелкодисперсных материалов композита 42
2.1.5 Изучение свойств быстротвердеющих бетонов 45
2.2 Применяемые материалы 46
2.3 Выводы к главе 50
3. Разработка составов композиционных гипсовых вяжущих с использованием природного и техноген ного сырья стран ближнего востока 52
3.1 Основы получения композиционных гипсовых вяжущих 54
3.2 Разработка составов КГВ с минеральными добавками из сырьевых ресурсов Ближнего Востока 61
3.3 Повышение эффективности КГВ за счет использования химических добавок 88
3.4 Выводы к главе 93
4. Повышение эффективности стеновых материалов на композиционных гипсовых вяжущих
4.1 Проектирование состава мелкозернистого бетона на основе КГВ для стеновых материалов 98
4.2 Разработка составов тяжелого бетона на сырьевых материалах Палестины 103
4.3 Оптимизация структуры тяжелого бетона на КГВ за счет высокоплотного зернового состава заполнителя 107
4.4 Исследование контактной зоны заполнителя и гипсоцементного камня 115
4.5 Изучение деформативных свойств мелкоштучных стеновых материалов 117
4.6 Выводы к главе 118
5. Технико-экономическое обоснование и внедрение результатов исследований 120
5.1 Разработка нормативных документов 121
5.2 Расчет капитальных вложений на проведение НИР 123
5.3 Расчет экономии материальных затрат на получение КГВ с различными минеральными добавками 126
5.4 Выводы к главе 128
Основные выводы 129
Список литературы .
- Минерально-сырьевая база для развития стройиндустрии в странах Ближнего Востока
- Дифференциальный термический анализ
- Разработка составов КГВ с минеральными добавками из сырьевых ресурсов Ближнего Востока
- Оптимизация структуры тяжелого бетона на КГВ за счет высокоплотного зернового состава заполнителя
Минерально-сырьевая база для развития стройиндустрии в странах Ближнего Востока
Ближний Восток является одним из регионов мира с большими темпами развития строительства. В нём встречаются три материка - Европа, Азия и Африка. Он имеет многовековую историю строительства.
Натуральный гипс во всех своих формах применялся уже на заре цивилизации благодаря доступности, простоте его обработки и переработки, низкой цене и эстетическим качествам. Гипсовые строительные материалы традиционно использовали в Древнем Египте, Персии, Риме, Греции при возведении зданий и сооружений, многие из которых сохранились до наших дней [1-4,114,149,159-161]. Геологи установили, что гипс начал появляться на поверхности Земли 200 -300 миллионов лет назад. Исследования, проводимые археологами, показали, что впервые натуральный гипс начал использоваться около 9 000 г. до н.э. в Анатолии (сегодняшняя Турция).
При археологических раскопках в Палестине, южнее озера Тибериас, были обнаружены полы, покрытые гипсом за 7 тысяч лет до н.э.. Аналогичные находки были сделаны в городе Ерихо, там гипс применяли за 16 тысяч лет до н.э. За 3 тысячи лет до н.э. гипс использовали как стройматериал в Евфрате вблизи города Урук.
Египтяне в 5000-2600 г.г. до н. э. начали первыми применять обожженный гипс. Наряду с илом из Нила он применялся для растворов при строительстве сфинксов, а также для стенной штукатурки и полов в гробницах (Тутанхамона). Гипс для египетских растворов обжигался слабо и неравномерно, скорее всего в гончарных печах или просто на кострах, часто содержал кальцит и песок из-за наличия этих примесей в сырье.
Для каменной кладки в храмах и царских гробницах, для укрепления в пирамидах больших камней и блоков, для устройства полов с росписью (в колонном зале храма в Луксоре, (1350-1200 гг. до н.э.), обмазки стыков и швов труб, подводивших воду от запасных бассейнов к помещению для жертвоприношений в храме фараона Сахура ( 2600 г. до н.э.) использовали раствор на основе гипса [1,2,114,159-161]. Его применяли в облицовочных плитах для связки камней (толщиной около 0,5 мм), заделки швов, а также в качестве своеобразной подушки между камнями, которая предохраняла их кромки от разрушения. При отсутствии кранов, огромные камни-блоки скользили по гипсовой смазке и точно устанавливались на место. Плиты пирамид IV династии настолько плотно укладывались друг к другу по всей толщине, что между ними не могли пройти лист папируса или лезвие ножа. В Древнем Египте со времени первых династий (в «тайнике Эхнатона» IV, XVIII династия, гробницах Тутанхамона (XIX династия), Рамзеса XII (XX династия, 1200–1090 гг. до н.э.) и др. для отделки зданий широко применялась гипсовая штукатурка [1].
Особенно широко ее использовали для подготовки гладкой поверхности стен и потолков под роспись, сглаживания и шпаклевки неровностей камня. Применялась также штукатурка, состоящая из глины и гипса, по составу похожая на строительный раствор. В результате проведенных исследований и химического анализа многочисленных проб образцов древних растворов, штукатурок и современного египетского гипса было установлено в их составе, наряду с гипсом, содержание переменного количества карбоната кальция и кварцевого песка, что привело к представлению о намеренном добавлении в раствор и штукатурку извести, которая при их твердении постепенно переходит в карбонат.
Таким образом, в зависимости от количества карбоната кальция и гипса в затвердевшем образце, древнеегипетские растворы и штукатурки изготавливались либо на одной извести, либо на смеси ее с песком и гипсом. Многие из исследованных гипсовых растворов и штукатурок из пирамид и прилегающих к ним гробниц в Гизе и Саккаре характеризуются повышенными эксплуатационными характеристиками (таблица 1.1). древним раствором из гипса. применяли только для заполнения пустот, особенно вертикальных швов. Анализ данных, полученных при осмотрах памятников архитектуры Древнего Египта, позволили экспертам сделать «категорический» вывод, что … «практически все несущие элементы их конструкций выполнены из осадочных пород (из гипса – "алебастра"). Данный материал перемалывался и заливался в опалубку в составе раствора. Применение частично обожженного гипса вероятнее всего являлось следствием того, что летом в Египте наблюдаются чрезвычайно высокая температура и полное отсутствие осадков. Дождей не бывает иногда по нескольку лет. Вероятно, что для обезвоживания гипса не применялось никаких дополнительных технических средств и материал обезвоживался естественным образом при нагреве под солнечными лучами.
Для проведения строительных работ применялись различные добавки, так кА необходимо было увеличивать время схватывания и твердения материала. Одной из подобных технологий являлось добавление молочной сыворотки в гипсовый раствор для увеличения времени схватывания гипса.
Таким образом, древнеегипетские растворы и штукатурки представляли собой слабо обожженный гипс с переменным содержанием естественных примесей карбоната кальция и песка, затворяемый водой. Широко поставленное в Древнем Египте производство и применение строительного гипса в растворах и штукатурках каменных сооружений было рационально в техническом отношении и вполне соответствовало экономическим и климатическим условиям страны.
Дифференциальный термический анализ
Главными критериями комфортности среды в странах жарко-сухого климата являются тень, вода и растительность. Это – важнейшие эколого-обеспечивающие составляющие компоненты жизненного пространства человека, которые считаются базовыми свойствами земного «рая» в духовно-мировоззренческой сфере людей, проживающих в этой зоне Земли. Архитектура регионов сухого жаркого климата сформировала устойчивые принципы экологизации жилой среды, которые комплексно обеспечивают требуемую комфортность. Это – и массивные стены, регулирующие температурный режим (в системе день-ночь, зима-лето), и параметры соотношений открытых и замкнутых пространств. Урбанизация и научно-технический прогресс все активнее развивается во всем мире, включая и страны, поселения которых расположены на территориях тяжелой природно-климатической среды. В Арабских странах в последнее время отмечается интенсивный процесс социально-экономического и демографического развития. Их градостроительство и архитектура не только начинает активно «догонять» развитые страны мира, но и развивать свои современные направления. Научно-технический прогресс позволяет решать многие задачи, в том числе и компромиссно увязывать этнические традиции зодчества с современной индустриальностью. Одним из прогрессивных направлений на этом пути следует считать формирование «зеленых» зданий, которые и в менее сложных условиях получают в настоящее время значительное развитие [45-47,109,131]. Под «зеленым» строительством подразумевается возведение и эксплуатация зданий с меньшим уровнем потребления энергии и материалов на всем протяжении жизненного цикла дома: от проектирования до утилизации.
Возведение «зеленого» здания - это не только наличие систем, увеличивающих использование энергии и вырабатывающих собственную электроэнергию из возобновляемых источников, но и использование при строительстве и отделке экологически чистых материалов. Мощным толчком для развития технологий «зеленого» строительства стали растущий уровень загрязнения окружающей среды во всем мире, глобальное потепление и необходимость в более экономичном использовании энергетических ресурсов планеты, таких как газ и нефть.
По данным международной организации «Зелёных зданий» (USGBSO), основной целью «зеленого строительства» является сокращение общего влияния застройки на окружающую среду и человеческое здоровье, что достигается за счёт: эффективного использования энергии, воды и других ресурсов; внимания по поддержанию здоровья жителей и повышению эффективности работников; сокращения отходов, выбросов и других воздействий на окружающую среду [[155]. 7По данным USGBSO, «Зелёные здания» потребляют около 30 – 40 % мировой энергии, на их строительство затрачивается около 3 млрд. т природных
ресурсов Земли. Например, в США такие здания потребляют около 40% энергии, 12 % запасов питьевой воды, а выброс углекислого газа составляет 38% [45]. Эти цифры показывают на необходимость использования в строительстве стран Ближнего Востока новых видов строительных материалов, в том числе быстротвердеющих гипсосодержащих композитов, позволяющих обеспечить экономию природных и энергетических ресурсов. Установлено, что более 7 % СО2 и других вредных веществ в Арабских странах поступает в атмосферу в результате работы цементных заводов [157]. В то же время известно: природный гипс экологически безопасное вещество, при его производстве не выделяется в окружающую среду вредные компоненты и углекислый газ - СО2. Строительные материалы на его основе обладают многими положительными качествами: регулируют влажность окружающего воздуха, обеспечивают благоприятный для здоровья человека микроклимат в помещении и др. [5]. Они легко формуются и приобретают любую архитектурную форму. Доля изделий из гипса в общем объеме производства строительных материалов для жилищно-гражданского строительства в США возросла в последние годы втрое, в Японии – вдвое.
Основными достоинствами использования гипсовых композиционных материалов при возведении и отделке зданий и сооружений являются:
1. Ускорение процесса строительства. Быстрое (но регулируемое) схватывание и твердение гипсовых формовочных смесей позволяет осуществлять изготовление изделий или вообще без форм (методом непрерывного проката), или в кассетных формах и установках различной конструкции, коэффициент использования которых резко увеличивается. Скорость возведения монолитных стен всегда зависит от времени твердения бетона. При бетонах на портландцементе опалубка держится не менее суток. При использовании гипсовых бетонов в монолитных технологиях опалубку на монолите можно переставлять несколько раз в день.
2. Эффект энергосбережения. Нет необходимости применять тепловые процессы. Энергозатраты (электроэнергия) незначительны. Если принять за 100% энергозатраты на производство 26 штук керамического кирпича (который считается сегодня наиболее «престижным» стеновым материалом), то сопоставимые затраты электроэнергии на производство стеновых камней такого же объема из гипсобетона составят до 45% в зависимости от степени водостойкости.
Разработка составов КГВ с минеральными добавками из сырьевых ресурсов Ближнего Востока
С целью исследования продуктов гидратации КГВ и контактной зоны с заполнителем в тяжелом бетона в различные сроки твердения проводили электронно-микроскопические методы анализа на сканирующем электронном микроскопе TESCAN Mira 3.
Описание микроскопа. TESCAN Mira 3 - серия высококачественных сканирующих электронных микроскопов, полностью управляемых от персонального компьютера, оснащенных электронной пушкой с катодом Шоттки, предназначенная для работы как в высоком, так и переменном вакууме. Основные особенности микроскопа: катод Шоттки высокой яркости для получения изображений высокого разрешения, высокой контрастности и с низким уровнем шумов; уникальная трехлинзовая электронная оптика Wide Field Optics с промежуточной линзой для оптимизации формы и размера пучка запатентована компанией TESCAN и дает возможность получать изображения в различных режимах сканирования; In-Flight Beam Tracing - технология контроля и оптимизации рабочих характеристик и параметров пучка в реальном времени; In-Beam - детектор вторичных электронов, встроенный в объективную линзу, предназначен для получения изображений высокого разрешения на очень коротких рабочих расстояниях; высокая скорость развертки; высокая производительность автоматизированного анализа больших площадей образца, например, для автоматического поиска и идентификации частиц; полностью автоматизированная система настройки и центровки электронно-оптической системы; современное программное обеспечение для управления SEM, получения изображений, архивирования, обработки и анализа; встроенная система диагностики и возможность удалённого доступа для операций по настройке.
Электронная колонна. Сканирующий электронный микроскоп отображает объекты путем сканирования их узким пучком электронов. Колонна микроскопа формирует пучок электронов и перемещает его по исследуемому образцу, расположенному в камере микроскопа. Качество получаемых изображений в первую очередь зависит от параметров пучка электронов (электронного зонда): размер зонда, апертурный угол и интенсивность пучка.
Размер зонда определяет как разрешение микроскопа, так и максимальное увеличение, которое можно получить без потери качества изображения. Обычно считается, что профиль интенсивности сечения пучка имеет форму распределения Гаусса. Размер зонда можно определить как ширину распределения интенсивности на половине высоты максимума (FWHM). Размер зонда определяется размером виртуального источника электронов, оптическими искажениями (аберрацией) конечной линзы и дифракцией на конечной апертуре. С уменьшением рабочего расстояния размер зонда уменьшается, что увеличивает качество изображения.
Падающий пучок электронов имеет форму конуса. Угол конуса определяется апертурным углом. Чем больше апертурный угол, тем меньше глубина фокуса, и тем больше заметны искажения, связанные с дефектами электромагнитных линз. Апертурный угол уменьшается с увеличением рабочего расстояния. Интенсивность зонда (Beam Intensity, BI) определяет число электронов, которые попадают в образец в единицу времени. Интенсивность зонда влияет на шумы на изображениях, так как при различных BI каждому пикселю изображение соответствует разное число детектируемых электронов. Для получения качественных изображений при низкой интенсивности пучка требуется больше времени. Перечисленные параметры зависят друг от друга. Пользователь может выбирать режимы работы электронно-оптической системы, отдавая предпочтение тому или иному параметру, например: Работа при больших увеличениях. Задача - получить высокое разрешение, при этом интенсивность пучка должна быть небольшой, предпочтительно короткое рабочее расстояние и длительное время набора изображения. Обычно для получения высокого разрешения используется режим «РАЗРЕШЕНИЕ», рабочее расстояние не более 7 мм и скорость развертки 7 или меньше.
Работа при больших токах пучка. Чем больше ВI, тем больше ток пучка и быстрее собирается изображение. Но при этом размер зонда увеличивается и разрешение падает. Точное значение тока зонда можно выставить с помощью параметра «Ток зонда непрерывно».
Работа в режиме большой глубины фокуса. Апертурный угол должен быть небольшим, поэтому используется режим «ГЛУБИНА» и большие рабочие расстояния.
Колонна микроскопа Mira 3 состоит из следующих частей. Электронная пушка (Gun) - источник ускоренных электронов. Пушка состоит из катода, супрессора, экстрактора и анода. Катод находится под отрицательным потенциалом, а анод под нулевым потенциалом. Острие катода изготовлено из вольфрамовой проволоки и имеет радиус закругления около 0.5 мкм. Острие катода разогревается до температуры 1800 К. Эмиссия электронов из катода осуществляется путем туннелирования через поверхностный барьер под воздействием сильного электростатического поля напряженностью 108 В/м (эффект Шоттки).
Оптимизация структуры тяжелого бетона на КГВ за счет высокоплотного зернового состава заполнителя
В строительстве наиболее широко используют тяжелый бетон на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.) [70-72]. Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество. Наиболее широко в строительстве применяют бетоны на портландцементе и его разновидностях (около 65% от общего объема производства). Одной из разновидностей тяжелых бетонов являются бетоны на основе композиционных гипсовых вяжущих (КГВ), обладающие повышенной водостойкостью и более широкой областью применения (объемные блоки санузлов, конструкции малоэтажных домов и др.) [73,74]. Дома из гипсобетона обладают отличными, уникальными экологическими, энергоэффективными, экономическими характеристиками. По энергоэффективности удельные затраты энергии на производство портландцемента составляют 2400, кирпича-1760, а гипсовых изделий не более 1200 Квт.ч. Способность бетонов и растворов на основе гипсовых вяжущих быстро схватываться и твердеть, позволяющая отказаться от тепловой обработки при изготовлении из них изделий, создает широкие возможности их использования в сборном, монолитном и сборно-монолитном исполнении. Конструкции обладают важными преимуществами огне -, биостойкости, долговечности.
Тяжелые бетоны на КГВ представляют собой материал со сложной структурой, которая зависит от структуры затвердевшего гипсоцементного камня, а также от состава и свойств компонентов бетона; количества, равномерности распределения и плотности укладки компонентов бетона; количества, формы и характера распределения пор и капилляров в бетоне. Это композит, в котором отвердевшее тесто на КГВ, или гипсоцементный камень, полностью окружает каждую частицу мелкого и крупного заполнителя и, кроме того, заполняет пространство между этими частицами, составляя таким образом, непрерывную пространственную сетку, или матрицу. В процессе отвердевания гипсоцементного теста, частицы заполнителя оказываются сцементированными в общий монолит. В монолите 20-30% его объема занимает гипсоцементный камень, а на долю заполнителя приходится 70-80% объема.
Технология изготовления изделий и конструкций предъявляет к бетонной смеси и бетону свои требования, для обеспечения которых необходимы соответствующий выбор сырья и состава бетона. Бетонам на КГВ присущи некоторые особенности по сравнению с бетонами на портландцементе. Эти особенности определяются прежде всего рядом технологических факторов[52-54,74]. В первую очередь они обусловливаются качеством и видом гипсового вяжущего, содержанием в составе КГВ гидравлического компонента -портландцемента с небольшим количеством активной минеральной добавки. Плотность КГВ в зависимости от их вида находится в пределах 2,4-2,7 г/см3. Поэтому при одинаковых весовых расходах с портландцементом КГВ дают увеличенный объем пасты в бетонной смеси. Обычно для получения равнопрочных бетонов абсолютный объем пасты в единице объема бетона на КГВ примерно на 6-12 % больше, чем на портландцементе.
Кроме этого, КГВ обладают повышенной водопотребностью (по сравнению с портландцементом), которая отражается на водосодержании бетонных смесей, которое можно регулировать в широких пределах применением специальных комплексов добавок.
Применение жестких бетонных смесей снижает расход вяжущего, ускоряет твердение, что особенно важно при применении гипсовых вяжущих, так как позволяет через 1-1,5 часа после формования получить 30-40% марочной прочности бетона и производить распалубку изделий без применения тепло влажностной обработки. Однако, применение жестких бетонных смесей на КГВ вызывает значительные затруднения при приготовлении бетонных смесей, их транспортирование и формование изделий из-за быстрых сроков их схватывания.
Формование изделий из подвижных бетонных смесей имеет целых ряд преимуществ технологического и социального характера, но вызывает повышенные расходы вяжущего и замедляет интенсивность твердения бетонов. Кроме того применение подвижных бетонных смесей приводит к повышенной начальной влажности бетона, что ухудшает теплофизические свойства ограждающих конструкций.
В тяжелых бетонах схватывание происходит медленнее, однако, при изготовлении изделий, необходимо дополнительно замедлять сроки схватывания. Как показали исследования, применение химических добавок снижает водопотребность и замедляет сроки схватывания.
Удобоукладываемость бетонных смесей на КГВ зависит не только от их водосодержания, но и от расхода вяжущего. В целом же она определяется реологическими свойствами (вязкостью) пасты на КГВ. Повышение вязкости пасты приводит к необходимости увеличения ее количества в бетонной смеси для соблюдения заданной удобоукладываемости. При расходах вяжущего более 350 кг/м3 правило постоянства водосодержания в бетонных смесях не соблюдается, их водопотребность возрастает по линейному закону. Увеличение расхода вяжущего на 100 кг/м3 вызывает рост водопотребности на 25-30 л/м3 [74]. Поэтому повышение прочности бетона за счет увеличения расхода вяжущего возможно в пределах до 500-550 кг/м3, так как при больших расходах из-за увеличения водопотребности практически невозможно понизить В/Вяж отношение .
