CC BY
12В.Н. СОКОВ, д-р техн. наук, А.Э. БЕГЛЯРОВ, канд. техн. наук, Московский государственный строительный университет
Эффективные трехслойные монолитные изделия с наноструктурированным переходным слоем
В настоящее время одной из центральных проблем в строительстве является повышение энергоэффективности стеновых материалов. В сложившейся ситуации наиболее реальным и перспективным направлением в повышении теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий может стать применение трехслойных изделий с эффективным утеплителем, особенно рационально применение подобных систем с теплоизоляцией из пенополистиролбетона. Получают такие изделия путем послойной укладки масс в формы с виброуплотнением [1].
Большое внимание в процессе создания и эксплуатации подобных конструкций должно уделяться качеству сцепления слоев, влияющему на надежность и долговечность материала.
На наш взгляд при формировании таких изделий необходимо идти по пути создания моносистем, обеспечивающих совместную работу всех слоев конструкции, в структуре которой должно происходить взаимное проникновение двух несущих и теплоизоляционного слоев. Одновременно должна образовываться развитая удельная поверхность на плоскостях соприкосновения слоев и возникновение между ними переходной зоны, нивелирующей напряжения, возникающие между слоями. Такой прием выполнения монолита упростит конструкцию элемента, обеспечив надежное закрепление теплоизоляции внутри изделия, предотвратит ее деформации в условиях переменных механических и температурно-влажностных воздействий.
Целью работы является получение энергоэффективных трехслойных стеновых изделий с плавной переходной зоной между слоями, получаемых за один технологический прием методом объемного прессования в замкнутых перфорированных формах. Суть технологии заключается в следующем [2, 3]. В специально разработанную жесткую перфорированную форму из текстолита укладывается на полный объем три слоя — наружные из керамзитобетона и средний из бетона с предварительно подвспененным на водяной бане полистиролом. Форма закрывается крышкой, и масса подвергается электропрогреву в течение 20—25 мин через металлические электроды, расположенные на двух противоположных сторонах формы. При температуре выше 80оС подвспененный полистирол, находящийся в среднем слое, окончательно вспенивается, увеличиваясь в объеме и создавая в форме внутреннее избыточное давление до 0,3-0,4 МПа.
Используя энергетический потенциал полистирола, осуществляется комплексное воздействие на формуемые массы энергией гидротеплосилового поля, появляющегося при электропрогреве масс. Осуществляется приштамповывание слоев системы с их взаимным проникновением. При этом путем взвешивания формы с изделием до и после электропрогрева установлено, что из формуемых масс через перфорацию удаляется до 70%
воды затворения, на такой же объем уплотняется монолит, уменьшая капиллярную пористость и повышая прочность цементного камня.
В рассматриваемых системах определяющей становится не начальная, а конечная формовочная влажность масс, оставшаяся после отжатия на этапе самоуплотнения. Это обстоятельство позволяет использовать подвижные смеси (В/Ц=0,55), исключающие средства принудительного воздействия на них во время укладки в формы.
Для релаксации внутренних напряжений и набора структурной прочности изделия после электропрогрева выдерживают в форме до 50 мин. Далее распалубленные и прогретые до 80оС изделия, минуя стадию разогрева, направляются в камеру тепловой обработки, где они пропариваются в течение 5 ч при температуре 90оС и влажности 100%.
Весь цикл формования и тепловой обработки изделий сокращается в два раза по сравнению с ближайшим аналогом [4]. Так как время нахождения изделий в формах снижается в 8,5 раз, а стоимость текстолитовых форм лишь в 1,5 раза больше, чем традиционных металлических, общая эффективность от использования текстолитовых форм выше в 5,5 раз. Это создает предпосылки для ликвидации парка дорогостоящих металлических форм. Предлагается высокомеханизированная роторно-конвейерная линия, позволяющая изготавливать монолитно-слоистые изделия любой конфигурации [5].
При формовании трехслойных систем известными способами [6, 7] центральный слой (пенополистирол-бетон) имеет повышенную по сравнению с плотными слоями формовочную влажность и зажат между ними. Поэтому в готовых изделиях, прошедших тепловлаж-ностную обработку и частичную подсушку, количество
наружного и теплоизоляционного слоев в процессе уплотнения масс на полистироле (фрагмент сочленения слоев после окончательного вспенивания полистирола)
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2013
41
Х10 Х60 Х60
Рис. 2. Увеличенное изображение переходной зоны
влаги в центре всегда больше периферийных зон. При их эксплуатации происходит дополнительное накопление влаги в центре изделия и она не успевает высушиваться в летний период. Отсюда теплопотери и возможность расслоения системы. Незначительное содержание влаги, оставшейся в созданном материале только для твердения вяжущего, — достаточная гарантия от недопустимого снижения сопротивления теплопередаче.
Создание фасонной поверхности контакта слоев происходит вследствие того, что зерновой состав вспенивающихся гранул полистирола полифракционный (размер фракции 1—4 мм, изготовитель ЗАО «Сибур-Химпром»), поэтому усилия, развиваемые ими в массе при окончательном вспенивании, будут различны. Данный состав получается путем просева исходного бисерного полистирола.
Из рис. 1 видно, что давления Р4>Р3>Р2>Р1, поэтому и степень внедрения плотного слоя в теплоизоляционный слой различна.
Взаимное проникновение слоев наглядно показано на рис. 2.
Согласно гипотезе авторов выполнение трехслойного строительного элемента в виде монолита обеспечивается надежным и неразъемным соединением теплоизоляционного слоя внутри изделия через переходный слой, усиленный нанодисперсными частицами минеральных компонентов, полученными в процессе формования изделий. В соответствии с предположениями формирование такого слоя (рис. 3) происходит под влиянием комплексного воздействия на самоуплотняющиеся массы гидротеплосилового поля (ГТСП). Под его воздействием зерна цементного клинкера частично самодиспергируются до коллоидных частиц, лежащих в пределах наноразмеров. По фильтрационным протокам они продвигаются вместе с отжимаемой влагой [8, 9] и, встречая здесь значительные сопротивления, оседают по пути движения воды по мере снижения ее взвешивающей силы, создавая переходную зону, нивелирующую напряжения, возникающие при эксплуатации материала [10].
Гидратация и начальная стадия структурообразования цемента в условиях действия избыточного давления, температуры и пониженного водосодержания совпадают с первым периодом твердения вяжу-
щего. При этом растворение клинкерных минералов, насыщение жидкой фазы продуктами их гидратации и образование микроскопических центров кристаллизации преобладают над образованием коагуляционных структур, формирование которых осложнено активным массопереносом. По мере уплотнения структуры отжатие влаги из масс постепенно прекращается и при остывании материала создаются предпосылки для интенсивного роста кристаллических новообразований по всему объему, как на поверхности гидратирующих-ся частиц, так и из пересыщенного продуктами гидратации раствора.
Это позволяет сделать вывод, что ГТСП воздействует на твердеющую минеральную матрицу направленно, как на механическое удаление через жидкую фазу избыточной формовочной влаги, так и на модифицирование механизма гидратации вяжущего при влагосодержании, близком к стехиометрическому.
В отличие от трехслойных изделий с пенополисти-ролбетоном в среднем слое [4], в котором пенополи-стирол рассматривается как суперлегкий заполнитель, в работе использовалась потенциальная энергия его вспучивания. При окончательном вспенивании полистирола в бетоне он создает не только избыточное дав-
Таблица 1
Марка Геометрические размеры образцов, мм Масса, г Разрушающая нагрузка, кг Прочность, МПа Средняя прочность, МПа
a Ь h
М3,5 100,3 99,5 400,1 1731 322 0,3212 0,33
100,1 100,4 399,6 1740 328 0,3263
100,3 99,5 400,1 1731 340 0,3413
100,1 100,4 399,6 1740 335 0,3332
M5 99,2 98,5 397,9 1950 470 0,4577 0,469
99,8 99,9 400,4 2041 490 0,4828
99,2 98,5 397,9 1950 483 0,4691
99,8 99,9 400,4 2041 501 0,4657
M10 99,3 100,1 400,4 2139 684 0,6828 0,673
99,3 99,6 400,8 2154 684 0,668
99,5 99,6 400,8 2154 693 0,668
99,5 100,1 400,4 2139 694 0,6828
M15 98,7 100 399,3 2336 840 0,8238 0,799
98,7 100 399,3 2336 820 0,8041
100,3 100 399,4 2441 830 0,8035
100,3 100 399,4 2441 790 0,7648
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
~42 ноябрь 2013 Ь^ШШ'
Таблица 2
Рис. 3. Слоистый стеновой блок с переходной зоной
Свойства Разработанные изделия Трехслойные изделия со средним полистиролбетонным слоем
Средняя плотность, кг/ м3: теплоизоляционного слоя плотных слоев 200-600 2300-2500 200-600 2300-2500
Предел прочности при сжатии, МПа: теплоизоляционного слоя плотных слоев 0,92-1,29 27,1-37,5 0,64-1 21,1-29,6
Термическое сопротивление при толщине изделия 400 мм, м2.оС/Вт 4,6 3,54
Расход энергии на 1 м3 изделий, кг пара 75 154
Время технологического цикла, ч 7 15
ление, но и выполняет структуроформирующую роль. Расширение гранул полистирола способствует формированию плотной минеральной (несущей) матрицы, минимизации межгранульной пористости, спеканию гранул между собой в области межгранульного контакта и формированию двойного (минерально-полистирольного) пространственного скелета. В результате значительно (по сравнению с бетоном на инертном пенополистироле) увеличивается прочность при изгибе. Исследование такой структуры пенополи-стиролбетона показало, что усилие от нагрузки воспринимается минеральной матрицей материала, при этом нормальные напряжения передаются на полимерный каркас. Разрушение бетона происходит при нормальных напряжениях, превышающих прочность при разрыве полимерного каркаса, или в том случае, если прилагаемая нагрузка превышает прочность при сжатии минеральной матрицы.
Совместная монолитная работа всех слоев предлагаемой конструкции позволяет отказаться от механических приспособлений для связи бетонных слоев (шпонки, арматура, гибкие связи), свойственных традиционным трехслойным изделиям. Разработанная технология позволяет совместить на этапе формования ряд технологических операций: уплотнение масс, их обезвоживание, обеспечение четких граней, хорошей лицевой поверхности и выштамповывание любого профиля изделий, например пазогребневых.
Перспективность разработанной технологии обусловлена возможностью изготовления трехслойных монолитных блоков для малоэтажного строительства непосредственно на месте возведения здания.
Проведены испытания прочности сцепления слоев друг с другом (табл. 1). Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что прочность сцепления слоев в монолитно-слоистых стеновых изделиях за счет объемного прессования в среднем на 28% превосходит прочность аналогичных трехслойных изделий [4], в которых отсутствует переходная зона и фасонная поверхность контакта слоев.
Разработанная технология защищена патентом РФ на изобретение № 2444435 (В.Н. Соков, А.Э. Бегляров. Способ изготовления трехслойных строительных изделий).
В табл. 2 приведено сравнение свойств разработанных изделий со свойствами известных аналогов.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что использование предлагаемой технологии позволяет значительно сократить технологический цикл производства при улучшении эксплуатационных характеристик получаемых изделий и снижении их себестоимости. Полученный материал является
эффективным строительным материалом и представляет практический интерес для промышленности.
Ключевые слова: трехслойные изделия, электропрогрев, гидротеплосиловое поле, наноструктурированная зона, монолитно-слоистое изделие.
Список литературы
1. Король Е.А. Актуальные вопросы энергоэффективности зданий и сооружений, пути их решения // Вестник МГСУ. 2009. № 3. С. 5-10.
2. Соков В.Н., Бегляров А.Э., Жабин Д.В., Землянуш-нов Д.Ю. О возможностях создания эффективных теплоизоляционных материалов методом комплексного воздействия на активные подвижные массы гидротеплосиловым полем // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 9. С. 17-18.
3. Соков В.Н., Бегляров А.Э., Землянушнов Д.Ю, Жабин Д.В. Теплосиловой монолитно-слоистый блок // Вестник МГСУ. 2011. № 1. С. 309-312.
4. Король Е.А., Пугач Е.М., Ратушный В.Е. Разработка технических решений и технологии производства энергосберегающих многослойных ограждающих конструкций повышенной надежности с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности. Сб. докладов научно-практической конференции-выставки «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве». Москва, 7-10 декабря 2004 г. С. 115-119.
5. Мишин В.М., Соков В.Н. Теоретические и технологические принципы создания теплоизоляционных материалов нового поколения в гидротеплосиловом поле. М.: Молодая гвардия, 2000. 352 с.
6. Баженов Ю.М., Король Е.А., Ерофеев И.Е. и др. Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности. М.: АСВ. 2008. 320 с.
7. Король Е.А. Трехслойные ограждающие железобетонные конструкции из легких бетонов и особенности их расчета. М.: АСВ, 2001. 256 с.
8. Соков В.Н., Мишина Г.В. Самоуплотненный гипсо-полистиролбетон. М.: МПА. 1999. 128 с.
9. Гаркави М.С., Некрасова С.А., Трошкина Е.А. Кинетика формирования контактов в наномодифициро-ванных гипсовых материалах // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 38-41.
10. Бегляров А.Э. Новые энергоэффективные монолитно-слоистые материалы с переходным слоем. Сб. докладов конференции в рамках выставки «Научно-техническое творчество молодежи». Москва, 28 июня - 1 июля 2010 г. С. 93-94.
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® ноябрь 2013 43
