CC BY
0Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: psmi88@mail.ru А.Ц. Цыдыпова, аспирант, e-mail: lubsan2009@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.327.32
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО
ПОЛИСТИРОЛБЕТОНА
В статье рассмотрены вопросы использования химических добавок, применяемых в производ-
стее дорожных материалов, при проектировании составов полистиролбетона. Получен полисти-
ролбетон с прочностью 2,8-9,67МПа и с марками по плотности 860-1200 кг/м3.
Ключевые слова: малоэтажное строительство, полистиролбетон, адгезионные добавки, гид-
рофильность, расслаивание, стирол, регенерированное сырье.
L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.Ts. Tsydypova, P.G.
THE USE OF CHEMICAL ADDITIVES APPLIED IN ROAD CONSTRUCTION FOR STRUCTURAL HEAT-INSULATING POLYSTYRENE CONCRETE
The article discusses the use of chemical additives applied in the production of road materials ^ for the design of polystyrene concrete compositions. Polysterene concrete with 2,8-9,67 MPa strength and 8601200 kg/m3 trademarks density is obtained.
Key words: low-rise construction, polysterene concrete, adhesive additives, hydrophylic property, de-lamination, styrene, recovered materials.
Одной из своих основных целей республиканской целевой программы «Жилище» Республики Бурятия на 2011 -2015 гг. является комплексное развитие малоэтажного жилищного строительства в Республике Бурятия (РБ). Это вызвано необходимостью изменения структуры жилищной политики в пользу малоэтажного строительства жилья, переориентацией его на индустриальные, экономичные, энергосберегающие технологии, активизацией спроса на малоэтажное жилье и предложений на рынке жилья, развитием государственно-частного партнерства, разработкой и внедрением эффективных механизмов финансирования малоэтажного строительства. Развитие малоэтажного строительства предусматривает вопрос использования традиционных строительных материалов, в частности, полистиролбетона.
В строительной индустрии РБ все шире используется полистиролбетон, приготовленный по традиционной технологии в соответствии с ГОСТ Р 51263-99. За 2012-2013 гг. ООО «Селенгинский завод ЖБИ» (п. Селенгинск, Кабанский район) и производственная компания «Ермак» (г. Улан-Удэ) выпустили около 10000 м3 полистиролбетона. Предприятиями выпускается полистиролбетон с марками по плотности D 200-D 600, области применения которых - монолитная теплоизоляция чердаков, производство трехслойных панелей, несущих блоков и наружных стен, самонесущих сплошных блоков.
В последние годы мнение о полистиролбетоне неоднозначно [1, 2]. С одной стороны, следует принять во внимание, что полистиролбетон по сравнению с ближайшим аналогом -ячеистым бетоном - обладает повышенной в среднем прочностью на растяжение при изгибе - в 2,5 раза и прочностью на сжатие - в 1,15 раза, пониженными водопоглощением - в 1,5 раза, теплопроводностью - в 1,2 раза и паропроницаемостью - в 2-7 раз, морозостойкостью - от ста циклов и более, химической и биологической стойкостью. Полистиролбетон относится к трудногорючим и нетоксичным материалам, группа горючести Г1. Кроме того,
по сравнению с ячеистым бетоном полистиролбетон менее чувствителен к колебаниям рецептуры и технологии [1].
С другой стороны, исследователи считают, что присутствие пенополистирольных гранул понижает прочностные характеристики полистиролбетона, имеют место деструкция и распад материала в течение короткого времени. Однако основными условиями для распада полистирола являются влияние ультрафиолетовых лучей и превышение температуры эксплуатации. В полистиролбетоне полистирольные гранулы не испытывают данных влияний из-за присутствия цементной массы, обволакивающей полистирольные гранулы, температурный режим полистиролбетона стабилен, условий для декструкции материала нет.
Существует мнение об опасности выделений свободного стирола. Считается, что пе-нополистирол подвергается постоянному окислению под действием кислорода и происходит выделение стирола в окружающую среду. По данным Института строительной физики Фра-унгофера (г. Хольцкирхен), в Германии с использованием пенополистирола с 1960-х гг. было утеплено более 500 млн. м2 фасадов. Он является приоритетным материалом для теплоизоляции зданий, покрывая более чем на 50% потребность в теплоизоляционных материалах в гражданском строительстве. Исследования консорциума «Стирол» в рамках Европейского регламента REACH, который суммировал исследования последних 20 лет по этому вопросу, свидетельствуют о том, что стирол не является мутагенным, канцерогенным веществом и не оказывает воздействия на репродуктивную деятельность организма. Токсичная природа стирола и способность пенополистирола выделять стирол считаются европейскими экспертами недоказанными, безосновательными для классификации [2].
Проведенные испытания показали, что предельно допустимые концентрации выделений стирола из массы полистиролбетона намного ниже величин, установленных ГОСТ 10003-90 «Стирол. Технические условия», ГОСТ Р 51263-99 «Полистиролбетон. Технические условия». ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» (г. Москва) было установлено, что содержание свободного мономера стирола в исходном сырье (бисере) для пенополистироль-ного заполнителя не превышает уровня предельно допустимой концентрации ПДК 0,002 мг/м3 и составляет 0,0015 мг/м3 воздуха. Проведенные в РОСРИАЦ в 1996 г. санитарно-гигиенические натурные испытания совместно с институтом «ВНИИжелезобетон» воздушных проб в помещениях коттеджей, возведенных с применением полистиролбетона в микрорайоне Жулебино (г. Москва), показали, что выделение свободного стирола в объеме воздуха внутри помещений находится на уровне 0,00065-0,00070 мг/м3, что в 3 раза ниже ПДК.
Следует отметить, что основным недостатком полистиролбетона является расслаивание смеси в процессе приготовления в результате гидрофобности пенополистирольного заполнителя по отношению к цементному тесту. Решение этой проблемы освещалось в работах Н.В. Архинчеевой, О.В. Журба, где использовались различные химические добавки для повышения гидрофильности полистирола [3]. Данными авторами решались вопросы поиска новых эффективных химических добавок, повышающих адгезию пенополистирола к цементу. Учитывая, что основным условием формирования адгезионно-когезионных контактов в системе полистиролбетона является уменьшение поверхностного потенциала пенополисти-рольных гранул, необходимо использовать химические добавки, повышающие гидрофиль-ность пористого заполнителя.
Для решения этого вопроса в состав полистиролбетона вводились различные адгезионные добавки, традиционно используемые в дорожном строительстве. Исследовались свойства полистиролбетона в зависимости от вида и количества добавки, температуры водной фазы, способа получения бетонной смеси. Подбор состава и испытание полистиролбетона проводились с учетом требований ГОСТ 27006, ГОСТ 10180, ГОСТ 12730.1.
Для получения полистиролбетона использовались портландцемент ООО «Тимлюй-ский цементный завод» ЦЕМ I 32,5Н, песок природный кварц-полевошпатовый с модулем крупности 2,2-2,3, пенополистирольный вспененный гранулированный заполнитель (ПВГ) с размером зерен 5-10 мм и регенерированные гранулы, полученные из упаковочного пенопо-
листирола с размером зерен 5-10 мм и насыпной плотностью 10-15 кг/м3. Для повышения гидрофильности пенополистирола были использованы адгезионные добавки производства Mead Westvaco Corporation Asphalt Innovations, USA: Pave 192, Morlife 5000; адгезионная добавка производства Akzo Nobel Surface Chemistry AB, Швеция: Wetfix BE (таловые масла, конденсаты сложных полиаминов) и классическая добавка - смола древесная омыленная (СДО). Эти химические добавки традиционно применяются в дорожном строительстве для повышения адгезии битума к заполнителю и эффективны при производстве асфальтобетона. Добавки вводились в количестве 0,05; 0,1; 0,15 и 0,20 % от массы цемента из расчета на сухое вещество, растворялись в воде при температуре 40 и 60°С. Количество воды подбиралось исходя из требуемой удобоукладываемости бетонной смеси. Состав конструкционно-теплоизоляционного полистиролбетона - расход цемента, песка, пенополистирола - во всех опытах оставался неизменным. Результаты исследований полистиролбетона с химическими добавками представлены в таблице.
Таблица
Влияние адгезионных добавок на прочностные характеристики полистиролбетона
Предел прочности при сжатии Предел прочности на растяжение при изгибе
Вид (МПа) в зависимости от количества (МПа) в зависимости от количества
добавки и вида добавки (в % от массы цемента), 28 сут и вида добавки (в % от массы цемента), 28 сут
0,05 0,1 0,15 0,2 0,05 0,1 0,15 0,2
Wetfix BE 4,2 4,416 5,73 6,98 2,33 2,4 2,74 4,01
Pave 192 4,68 5,43 8,63 9,67 2,71 3,01 3,16 4,11
Morlife 5000 2,05 2,69 2,75 4,92 0,98 1,31 2,64 2,77
СДО 2,54 2,71 2,92 5,01 1,01 1,21 1,22 2,5
Анализ результатов исследований показал, что полистиролбетонная смесь с добавлением СДО более пластична, расслаивание смеси не наблюдалось. Полистирольный заполнитель полностью обволакивается цементным тестом, таким образом формируется однородный каркас с равномерным распределением полистирольного заполнителя в цементной матрице. Тогда как при формовании образцов из полистиролбетонной смеси без добавления добавок наблюдались расслаивание смеси и неравномерность распределения заполнителя в объеме. Предел прочности при сжатии и предел прочности на растяжение при изгибе бездобавочного полистиролбетона в возрасте 28 сут составляет 4,45 и 2,35 МПа. Добавка СДО в количестве 0,2 % от массы цемента позволила получить полистиролбетон с прочностью на сжатие и прочностью на растяжение при изгибе в возрасте 28 сут 5,01 и 2,5 МПа соответственно. Таким образом, добавка СДО позволяет получить полистиролбетон с лучшими прочностными характеристиками по сравнению с бездобавочным бетоном, облегчается технология приготовления полистиролбетона в производственном масштабе ввиду хорошей удобоукладывае-мости полистиролбетонной смеси.
Введение адгезионной добавки Morlife 5000 в количестве 0,2 % от массы цемента дало незначительное увеличение прочности при сжатии - на 0,47 МПа по сравнению с контрольными образцами, тогда как при дозировках 0,05-0,15 % было отмечено понижение прочности на сжатие. При температуре воды 40 °С добавка не растворялась, поэтому добавке Morlife 5000 требовалась более высокая температура затворения воды для повышения гид-рофильности пенополистирола к цементу. Были отмечены пластифицирующее действие добавки, снижение водопотребности полистиролбетонной смеси на 7,5 %.
Более высокие показатели по прочности при сжатии продемонстрировали образцы с адгезионными добавками Pave 192, Wetfix BE. При введении добавки Wetfix BE в количестве 0,2 % от массы цемента предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут увеличивается в среднем на 2,0-2,5 МПа, предел прочности при изгибе - на 1,1-1,3 МПа по сравнению бетоном без добавок. Адгезионные добавки Pave 192 и Wetfix BE увеличили прочность при сжатии, что связано с увеличением адгезии пенополистирола к цементу. Отмечено увеличение окатываемости пенополистирольных гранул цементным тестом, снижение водопотребности
смеси на 8,0-15,0. Снижение водопотребности, хорошая пластичность смеси при дозировке добавки 0,2 % от массы цемента дали снижение плотности образцов до 920 кг/м3 по сравнению с малыми дозами добавки.
Добавка Pave 192 при дозировке 0,2 % по сравнению с другими добавками дала наибольшее увеличение показателей предела прочности при сжатии и предела прочности на растяжение при изгибе: в среднем на 4,9-5,2 и 1,5-1,7 МПа соответственно по сравнению с бетоном без добавок, при плотности бетона 850-860 кг/м3. Водопотребность смеси снизилась на 15,0 %.
Таким образом, экспериментально было установлено, что введение адгезионных добавок, применяемых в дорожном строительстве, эффективно и для получения полистиролбето-на с улучшенными физико-механическими характеристиками. Введение адгезионных добавок увеличило гидрофильность пенополистирола к цементу за счет снижения поверхностного натяжения на границе поверхностей гранул с цементом. Хорошая окатываемость пенопо-листирольных гранул позволила получить смесь с однородной структурой, равномерным распределением заполнителя в каркасе бетона.
Известно, что в мире выпускается ежегодно 130 млн. т пластмасс с годовым приростом 10 %, объем только полистирольных пластиков достигает 50 тыс. т в год. Полистирольный пластик может быть регенерирован и вторично использован в производстве полистиролбе-тона. Поэтому представляет интерес получение полистиролбетона из регенерированных гранул с оптимальными дозировками адгезионных добавок Pave 192 и Wetfix BE 0,2 % от массы цемента при температуре воды затворения 60 °С. Положительные стороны регенерированного сырья - простота дозирования, удобство формования образцов, хорошая удобоуклады-ваемость. Результаты исследований представлены на рисунке.
Контрольный образец ■ Pave 192 0,2 % ■ Wetfix BE 0,2 %
Предел прочности при сжатии Rok, МПа
Рис. Влияние вида адгезионных добавок на прочность и кинетику твердения полистиролбетона
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что полистиролбетон на основе регенерированных гранул с введением Pave 192 0,2% от массы цемента в возрасте 28 сут превышает прочность при сжатии по сравнению с бетоном без добавок на вспененном заполнителе на 105 %, введение Wetfix BE в количестве 0,2 % по массе цемента - на 91 %.
Образцы на регенерированном сырье с добавкой Wetfix BE показывают увеличение прочности по сравнению с образцами на вспененном полистироле в среднем на 1,4-1,5 МПа, что обусловливается более шероховатой поверхностью регенерированных гранул, более высокой сцепляемостью с цементом. Показатели образцов с добавлением Pave 192 ниже в среднем на 0,3-0,5 МПа, хотя некоторые образцы превышали значения, полученные на вспененном полистироле.
Отсюда следует, что введение адгезионных добавок повышает гидрофильность пено-полистирола к цементу, увеличивает прочность при сжатии в 1,5 раза, прочность на растя-
жение при изгибе - в 1,3 раза по сравнению с традиционной добавкой СДО. Введение добавок также снижает водопотребность, улучшает удобоукладываемость и предотвращает расслаивание бетонной смеси.
В результате исследований был получен полистиролбетон с марками по плотности 860-1200 кг/м3, марками по прочности 2,87-9,67 МПа, что позволяет использовать данный материал не только для теплоизоляции зданий, но и как конструкционно -теплоизоляционный материал в малоэтажном строительстве. Использование этого материала должно способствовать развитию инновационных технологий малоэтажного строительства в рамках государственной программы «Жилище».
Кроме того, появится возможность использования вторичного регенирированного сырья, что решит экономические и экологические вопросы, возникающие в процессе производства полистиролбетона.
Введение адгезионных добавок, используемых в дорожном строительстве, в полистиролбетон позволяет улучшить качество готового продукта, увеличить срок эксплуатации изделий. Отрицательная черта новых добавок - несколько высокая стоимость по сравнению с СДО, но оптимальная дозировка меньше, а прочностные показатели выше, таким образом, суммарный экономический эффект увеличивается по сравнению с добавкой СДО.
Правильно подобранный состав бетона с оптимальным количеством вводимых добавок позволяет снизить расход цемента, повысить прочностные, деформативные характеристики полистиролбетона.
Библиография
1. Рахманов В. А. Полистиролбетон - высокоэффективный материал для ограждающих конструкций жилых и общественных зданий // Строительство: новые технологии - новое оборудование. -2011.-№ 9.- С. 16-19.
2. Кербер М.Л., Хозин В.Г. Пенополистирол - научный взгляд // Кровельные и гидроизоляционные материалы. -2011,-№5.-С. 17-20.
3. Журба О.В., Щукина Е.Г., Архинчеева Н.В. и др. Конструкционно-теплоизоляционный полистиролбетон на основе регенерированного сырья // Строительные материалы. - 2007. - № 3. -С.50-52.
Bibliography
1. Rakhmanov V.A. Polysterene concrete, a highly effective material for walling in residential and public buildings // Construction: new technology - new equipment. - 2011. - N 9. - P. 16-19.
2. Kerber M.L., Khozin KG. Foam polystyrene - a scientific view // Roofing and waterproofing materials. - 2011. -N 5. - P. 17-20.
3. Zhiirba O.V., Shchiikina E.G., Arhincheeva N.V. et al. Constructive thermalinsulating polysterene concrete based on recovered raw material // Building Materials. - 2007. - N 3. - P. 50-52.
