Эффективные кладочные растворы для автоклавных стеновых материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.5

В.С. ЛЕСОВИК1, д-р техн. наук, Л.Х. ЗАГОРОДНЮК1, д-р техн. наук (lhz47@mail.ru);

А.А. КУПРИНА2, канд. техн. наук, руководитель испытательной лаборатории (anna-121989@mail.ru);

М.Ю. ЕЛИСТРАТКИН1, канд. техн. наук, А.Н. ВОЛОДЧЕНКО1, канд. техн. наук

1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул Костюкова, 46)

2 ООО «ВНИИСТРОМ-НВ» (140050, Московская обл., Люберецкий р-н, п. Красково, ул. К. Маркса, 117)

Эффективные кладочные растворы для автоклавных стеновых материалов

С учетом использования закона сродства структур разработаны эффективные кладочные растворы для автоклавных стеновых материалов на основе композиционных вяжущих, полученных помолом цемента и различных минеральных наполнителей - газосиликата, силикатного кирпича и кварцевого песка в вибрационной мельнице. Проведены комплексные исследования камней на основе синтезированных композиционных вяжущих на различных основаниях - керамического кирпича, силикатного кирпича, цементного бетона. Изучены адгезионные свойства кладочных растворов на различных основаниях. Проведены исследования усадочных деформаций и показателей теплового расширения кладочных растворов различных составов. Разработанные кладочные растворы по прочности при сжатии в 3-3,5 раза выше, чем у обычных, превосходят по адгезии в два раза и дешевле по стоимости сухих строительных смесей аналогичного назначения.

Ключевые слова: кладочные растворы, адгезия, закон сродства структур, усадочные деформации, тепловое расширение.

V.S. LESOVIK1, Doctor of Sciences (Engineering), L.Kh. ZAGORODNYUK1, Doctor of Sciences (Engineering) (lhz47@mail.ru);

A.A. KUPRINA2, Candidate of Sciences (Engineering), Head of the Test Laboratory (anna-121989@mail.ru);

M.Yu. ELISTRATKIN1, Candidate of Sciences (Engineering), A.N. VOLODChENKO1, Candidate of Sciences (Engineering)

1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhova (46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)

2 OOO «VNIISTROM-NV» (117, Karla Marksa Street, Kraskovo Village, Lyubertsy District, Moscow Region, 140050, Russian Federation)

Efficient Masonry Mortars for Autoclaved Wall Materials

Taking into account the use of the law affinity structures, efficient masonry mortars for autoclaved wall materials on the basis of composite binders obtained as a result of cement and different mineral fillers, gas silicate, silicate brick and quartz sand, grinding in the vibrating mill have been developed. Complex studies of stones on the basis of synthesized composite binders, ceramic brick, silicate brick, cement concrete, have been conducted on different bases. Adhesion properties of masonry mortars have been studied on different bases. The study of shrinking deformations and indexes of heat expansion of masonry mortars of different compositions has been conducted. The compression strength of developed masonry mortars is 3-3.5 times higher than conventional mortars, their adhesion is 2 times higher, they are cheaper than dry building mixes of analogues purposes.

Keywords: masonry mortars, adhesion, law affinity structures, shrinking deformations, heat expansion.

Начало XXI в. — сложный этап в эволюции человечества. Это подтверждается не только геополитическими и социальными проблемами, но и возросшим количеством природных и техногенных катастроф, деградацией окружающей среды. Только за последние 20 лет число природных катастроф по последствиям возросло в 1,4 раза и число пострадавших от чрезвычайных ситуаций возросло с 2 до 154 тыс. человек в год [1-3].

Сотни тысяч жизней могли быть спасены, если бы в мире активно внедрялись достижения фундаментальной и прикладной науки. Анализ данных о причинах разрушений в результате природных и техногенных катастроф свидетельствует о несоответствии требований к условиям эксплуатации жилых и промышленных объектов, в том числе и о низкой адгезии кладочных растворов к стеновым материалам.

Повышенный интерес к разработке эффективных кладочных растворов с высокой адгезией к основанию обусловлен ужесточением требований к надежности строительных конструкций. Кладка стен из силикатных материалов по прочности сцепления не удовлетворяет требованиям СНиП 11-7-81* «Строительство в сейсмических районах», что делает невозможным применение силикатного кирпича в районах с повышенной сейсмичностью.

В настоящее время разработаны теоретические основы существенного повышения адгезии кладочных растворов к стеновым материалам. Сформулирован закон сродства структур, заключающийся в проектировании слоистых композитов, кладочных растворов и ре-

монтных систем, на нано-, микро- и макроуровне аналогичных базовой матрице [4-8]. Реализация этого закона позволяет в разы увеличить адгезию кладочных растворов, особенно это относится к силикатным материалам автоклавного твердения.

С целью разработки высокоэффективных кладочных растворов для возведения зданий из силикатных материалов были изучены свойства поверхности материала подложки. Для обеспечения должного сцепления на уровне механического зацепления важную роль играет шероховатость поверхности подложки.

Применяемые для кладки стеновые материалы имеют различное строение и свойства. Достижение высокой прочности кладки возможно только в том случае, когда применяемый кладочный раствор будет иметь химическое и минеральное сродство к основанию; будут учитываться особенности стенового материала и раствора, близость их коэффициентов теплового расширения, в том числе состояние и вид поверхности, по которой будет происходить взаимодействие.

Поверхность силикатного кирпича плотная, сформирована сцементированными выступающими песчинками и кавернами между ними (рис. 1).

Механизм обеспечения адгезии заключается в физико-химическом взаимодействии, основанном на срастании мелкокристаллических новообразований гидросиликатов кальция различной основности, обеспечивающих достаточную прочность и долговечность раствора, по совокупной площади поверхности (с учетом выступов и впадин), так и на механическом взаимодействии за счет наличия шероховатой поверхности. Последнее

научно-технический и производственный журнал f -л-jj, f ^дjjijJJljlrf

декабрь 2016 Vj! ®

Таблица 2

Таблица 1

№ Обозначение Вид добавки Состав, мас. %

ЦЕМ I 42,5 Минеральная добавка

1 КВ40Гс Газосиликат 40 60

2 КВ40Ск Силикатный кирпич 40 60

3 КВ40Кп Кварцевый песок 40 60

4 ПЦ - 100 -

Примечание. Композиционные вяжущие получали помолом компонентов в вибрационной мельнице.

Состав композиционного вяжущего Адгезия к основанию, МПа

Силикатный кирпич Цементный бетон

Р1 (КВ40Гс) 0,57 0,39

Р2 (КВ40Ск) 0,48 0,43

Р6 (КВ40Кп) 0,29 0,76

ЦИП* 0,37 0,48

Примечание. * ЦИП - цементно-известково-песчаный раствор (Ц - 20%; И - 5%; П - 75%).

повышает прочность сцепления при сдвиге и в некоторой степени при отрыве.

Для обеспечения хорошего заполнения каверн растворная смесь должна содержать достаточное количество подвижного цементного клея, способного заполнять неровности рельефа поверхности материала. Традиционные растворные смеси на основе песка и цементно-известкового, цементно-гипсового или цемент-но-глиняного вяжущего и песка зачастую не обеспечивают необходимой однородности и качества кладки.

С этой точки зрения применение высоконаполнен-ных композиционных вяжущих может стать экономичным и эффективным решением.

Таким образом, для повышения монолитности кладки необходимо увеличение дисперсности вяжущего кладочного раствора, оптимизация гранулометрического заполнителя, обеспечение и сохранение высокой подвижности раствора в течение первых 10—20 мин после укладки для формирования благоприятной первоначальной структуры, гармонизация деформативных и тепловлажностных свойств ее элементов.

С учетом вышеизложенного разработаны композиционные вяжущие. В качестве минеральных добавок в состав композиционных вяжущих для кладочных растворов использовали бой газосиликата и силикатного кирпича (табл. 1).

В связи с тем, что в кладке растворы твердеют в трудно контролируемых условиях, важным является способность растворной составляющей поддерживать благоприятный для твердения микроклимат. Структура растворного камня должна обладать развитой внутренней поверхностью для аккумулирования влаги и последующей отдачи ее для протекания дальнейших процессов гидратации.

На основе комплексных исследований кладочных растворов, приготовленных при использовании различных композиционных вяжущих с использованием различных минеральных наполнителей и нанесенных на разные основания (силикатный кирпич, керамический кирпич, бетон), установлено, что композиционное вяжущее с использованием отходов газосиликата и нанесенное на газосиликатное основание, имеет наиболее комфортные условия для гидратации цемента. За счет наличия в отходах газосиликата микропористых сростков кристаллических частиц различной морфологии создаются внутренние объемы для аккумулирования влаги. Поэтому кладочные растворы, полученные на

основе отходов газосиликатов, отличаются высокой способностью к удержанию воды, что создает благоприятные условия для процессов структурообразования в период твердения. Кроме того, гидросиликаты кальция, присутствующие в отходах газосиликатов, выступают в качестве тончайших подложек для формирования ги-дратных новообразований, которые дополнительно укрепляют структуру будущего композита. Результаты исследования микроструктуры подтвердили выдвинутое положение о высокой химической активности компонентов композиционного вяжущего, что безусловно положительно отражается на физико-механических характеристиках полученных растворов.

Однако композиционные вяжущие типов КВ40Ск и КВ40Кп, содержащие в качестве минеральной добавки силикатный кирпич и кварцевый песок, отличаются низкой способностью поддерживать внутренний благоприятный для твердения микроклимат.

Вторым и наиболее важным аспектом повышения прочности кладки является адгезия раствора к основному материалу. В соответствии с ГОСТ 31356—2007 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний» прочность сцепления (адгезию) раствора определяют по силе отрыва образца затвердевшего раствора от основания — бетонной плиты. Это не коррелируется с реальными условиями твердения раствора, при которых он находится в монтажной и эксплуатационной среде. В связи с этим предложена методика, которая в большей степени отражает реальные условия.

Определение адгезии кладочного раствора к стеновым материалам осуществлялось по разработанной авторами методике. Для этого из стенового материала были выпилены образцы размерами 125x60 мм, толщиной 35 мм. Образцы склеивались кладочным раствором крест-накрест, таким образом, чтобы раствор контактировал с незатронутой резкой поверхностью образцов, а толщина шва составляла стандартные 8—12 мм. После затвердевания раствора производился отрыв образцов друг от друга с замером максимального усилия (табл. 2).

Установлено, что растворы, приготовленные на различных композиционных вяжущих и нанесенные на различные основания, имеют различные показатели адгезии.

При сравнении адгезии различных композиционных вяжущих к поверхности отмечается, что при использовании цементно-песчаного раствора показатели адгезии

■ '■■Ч'.-: > Л ■ Г;-' научно-технический и производственный журнал ® декабрь 2016

0,35

0,3

5 0,25

- 0,2 £ ч

сс

¿г0,15 0,1 0,05

2

3 3

\_4

Рис. 1. Строение поверхности силикатного кирпича

10 15 20

Время твердения, сут

25

30

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

составляют 0,37 МПа, при использовании композиционного вяжущего с силикатным кирпичом прочность повышается на 30%, а при использовании отходов газосиликатов — на 54% и составляет 0,48 и 0,57 МПа соответственно. Повышение адгезии к основанию этих композиционных вяжущих объясняется химическим и минеральным сродством кладочного раствора и основания, обеспечивающего повышение физико-механических характеристик.

Адгезия композиционного вяжущего с применением тонкомолотого кварцевого песка на основании из цементного бетона дала повышение прочности на 58%, что представляет значительный технико-экономический интерес для производства кладочных растворных смесей.

Согласно полученным данным, наиболее значимым фактором, влияющим на сцепление стенового материала с кладочным раствором, является сродство между ними. В соответствии с законом сродства структур одним из аспектов, обеспечивающих хорошее взаимодействие материалов, является близость их деформатив-ных показателей.

Изучена динамика нарастания усадочных деформаций при твердении растворов различных составов, тепловое расширение растворов и основных кладочных материалов.

Как видно из кривых (рис. 2), состав кладочного раствора оказывает существенное влияние на величину и характер развития усадочных деформаций при твердении в течение 28 сут.

Величина усадки лежит в диапазоне 0,2—0,35 мм/м, что сопоставимо с усадкой рядового тяжелого бетона — 0,3 мм/м.

Основой прогнозирования долговечности каменных кладок на основе различных сочетаний стеновых материалов и растворов может стать сопоставление величины их теплового расширения при повышении температуры на 55оС, что соответствует максимальным среднесуточным перепадам температуры в Центральном регионе (рис. 3).

Согласно полученным данным, величина теплового расширения рассматриваемых стеновых материалов при нагреве на 55оС лежит в диапазоне 0,4—0,5 мм/м. Растворы составов Р1 и ЦИП имеют показатель термического расширения выше, чем у стеновых материалов, — 0,5—0,65 мм/м; составы Р2, Р6 —0,4—0,7 мм/м.

При более сильных циклических нагревах-охлаждениях, по мнению авторов, предпочтительным является

Рис. 2. Кривые нарастания усадочных деформаций кладочных растворов различных составов: 1 - Р1 (КВ40Гс); 2 - Р2 (КВ40Ск); 3 - Р6 (КВ40Кп); 4 - ЦИП

1

4

5 Ш* /-

> 2

¿г ...-"'> ¿г

10

20

40

30

Нагрев, оС

Рис. 3. Тепловое расширение материалов: 1 - Р1 (КВ40Гс); 2 3 - Р6 (КВ40Кп); 4 - ЦИП; 5 - силикатный кирпич

50

60

Р2 (КВ40Ск);

равное или повышенное значение величины теплового расширения раствора по отношению к кладочному материалу. В этом случае, увеличиваясь, кладочный раствор будет оказывать растягивающее воздействие на основной стеновой материал. Ввиду более высокой прочности и массивности восприятие подобных дополнительных нагрузок не создает риск его повреждения. Менее прочный кладочный раствор при этом будет находиться в благоприятном для себя сжатом состоянии.

При ином соотношении рассматриваемого показателя возникает риск растрескивания раствора при релаксации возникающих растягивающих напряжений и, как следствие, снижения долговечности кладки. Значение данного фактора возрастает при повышении температурных перепадов при эксплуатации (печи, дымоходы и др. тепловые агрегаты).

Таким образом, с учетом использования ранее предложенного закона сродства структур разработаны эффективные кладочные растворы для автоклавных стеновых материалов на основе композиционных вяжущих, полученных помолом цемента и отходов газосиликатов. Разработанные кладочные растворы по прочности при сжатии растворов в 3—3,5 раза выше, чем у обычных, превосходят по величине адгезии в два раза и дешевле по стоимости сухих строительных смесей аналогичного назначения.

0

5

научно-технический и производственный журнал |г

24 декабрь 2016

Список литературы

1. Лесовик В.С. Геоника (геоммиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении: Монография. 2-е изд., доп. Белгород: Изд-во БГТУ, 2016. 287 с.

2. Орлович Р.Б., Деркач В.Н. Оценка прочности кладочных растворов при обследовании зданий // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 7. С. 3-10.

3. Леденев В.В., Однолико В.Г., Колесникова А.В. Причины повреждений и разрушений кирпичных зданий // Вестник ТГТУ. 2014. Т. 20. № 1. С. 141-149.

4. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л. Закон сродства структур в материаловедении // Фундаментальные исследования. 2014. № 3. Ч. 2. С. 267-271.

5. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Беликов Д.А., Щекина А.Ю., Куприна А.А. Эффективные сухие смеси для ремонтных и восстановительных работ // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 82-85.

6. Lesovik V.S., Chulkova I.L., Zagordnyuk L.Kh., Volodchenko A.A., Popov D.Y. The role of the law of affinity structures in the construction material science by performance of the restoration works // Research Journal of Applied Sciences. 2014. No. 9, pp. 1100-1105.

7. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H, Tolmacheva M.M., Smolikov A.A., Shekina A.Y., Shakarna M.H.I. Structure-formation of contact layers of composite materials // Life Science Journal. 2014. No. 11 (12s), pp. 948-953.

8. Kuprina А.А., Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H., Elistrat-kin M.Y. Kuprina A.A. Anisotropy of materials properties of natural and man-triggered origin // Research Journal of Applied Sciences. 2014. No. 9, pp. 816-819.

References

1. Lesovik V.S. Geonika (geommimetika). Primery realizat-sii v stroitel'nom materialovedenii: Monografiya [Geonika (geommimetika). Examples of implementation in building materials: Monograph]. Belgorod: BGTU. 2016. 287 p.

2. Orlovich R.B., Derkach V.N. Evaluation of the strength of mortars when examining buildings. Inzhenerno-stroitel'nyizhurnal. 2011. No. 7, pp. 3—10. (In Russian).

3. Ledenev V.V., Odnoliko V.G., Kolesnikova A.V. Reasons for damage and destruction of brick buildings. Vestnik TGTU. 2014. Vol. 20. No. 1, pp. 141-149. (In Russian).

4. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Chulkova I.L. Law affinity structures in materials science. Fundamental'nye issledovaniya. 2014. No. 3. Part 2, pp. 267-271. (In Russian).

5. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Belikov D.A., Shchekina A.Yu., Kuprina A.A. Efficient dry mixes for repair and restoration works. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 7, pp. 82-85. (In Russian).

6. Lesovik V.S., Chulkova I.L., Zagordnyuk L.Kh., Volodchenko A.A., Popov D.Y. The role of the law of affinity structures in the construction material science by performance of the restoration works. Research Journal of Applied Sciences. 2014. No. 9, pp. 1100-1105.

7. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H, Tolmacheva M.M., Smolikov A.A., Shekina A.Y., Shakarna M.H.I. Structure-formation of contact layers of composite materials. Life Science Journal. 2014. No. 11 (12s), pp. 948-953.

8. Kuprina А.А., Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H., Elistratkin M.Y. Kuprina A.A. Anisotropy of materials properties of natural and man-triggered origin. Research Journal of Applied Sciences. 2014. No. 9, pp. 816-819.

_Реклама

О

А

>

VF л

ИЗНОСОСТОЙКИЕ ШПРИАПЫ

_mi.J.;.1JJj] Ш Ш1Ш

Ремонтно-механический завод «НИХАРД-СЕРВИО производит:

- била, молотки, щЛки и футеровки дроби л о к;

■ футершвки течеч и рудоспусков,

- лопасти, брони и спицы бетоносмесителей.

■ шнеки эструдеров и глиносмесшелей;

■ детали, работающие в условиях абразивного износа.

■ корпуса к крыльчатки шламовых насосов;

■ бронефутнэроьки шаровых и стержневых мель-ннц.

■ трубопроводы пневмотранспорт?, лопасти шламовых бассейнов;

■ с^та грохотов

Ремонтно-мсханичсскии зосод <НИХАРД-СЕРВИС» это:

?ПП пет лучших традиций ^л^тоустопсмои металлургии: многолетний опыт работь с лроиэводителпми строительны* мэтфривАов: - сотрудничестваi Юкно Уральском ГОСуДЗрсТбРНЙЫМ Универсчтеюм. участием Союзе производителей ветоиа Рэссин

HÇnp^P'iIRH^If ИССППДОППНИП П г* -Л 5 П b: I Ül^HLM-p И Л H С СО ^ТОНК QCTW МЛТПГ|ИПППП

OOP РМЗ н^дло^-сориче ■ TbliilJEi. Челябинская область, г. Злптоуст. }Л. Им. Д.Н. Радищева. 3

777 02-ОЭ; ♦ 7IÎ51) 335-01-34

E-mail:

ппьй1Ь«г(Шот1а11|Ги

I IMÜP.UJ^eii« i

■ ■■■','J'.- : i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал

® декабрь 2016 25