CC BY
61
УДК 627.417.2
A.M. Игнатова, А.О. Артемов, М.М. Черных, А.М. Ханов
Пермский государственный технический книверситет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАМНЕЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИМИНАЛОВ ДЛЯ МОЩЕНИЯ И БЛАГОУСТРОЙСТВА УЛИЦ
Рассматривается возможность использования синтетических минеральных сплавов в качестве материала для благоустройства улиц. Проведен сравнительный обзор по их характеристикам, а также выявлены отличительные особенности их применения при мощении и использовании в оформлении интерьеров и экстерьеров. Представленные технологические рекомендации позволяют говорить о достаточно простом внедрении симиналов как технического новшества в сфере благоустройства.
Благоустройство любого населенного пункта прежде всего предполагает создание подъездных и пешеходных дорог. Уровень комфортности передвижения по ним, а также срок службы всецело зависят от вида материала дорожного покрытия, его качества и способа монтажа. В настоящее время самым популярным видом дорожного покрытия является асфальтобетон, но самый популярный не значит самый лучший. В большинстве случаев асфальтобетонное покрытие не оправдывает возлагаемых на него ожиданий, приходит в негодность раньше времени, требует массы поддерживающих ремонтных работ, является экологически небезопасным. Именно поэтому в определенных случаях, особенно когда эксплуатация дороги не предполагает систематического движения автомобильного транспорта, наиболее практичным решением является не укладка асфальтобетона, а мощение штучными изделиями из искусственного (цементно-литых, цементно-прессованных плит и т.д.) или натурального камня.
Натуральный камень - это дорогостоящий материал, и мощение им больших площадей - трудноосуществимая задача с финансовой точки зрения. Качество искусственного камня, полученного на основе вяжущих смесей, значительно уступает природному, хотя искусственный камень более доступен по стоимости. Срок службы мощеного покрытия из искусственного камня значительно ниже, чем срок службы покрытия из камня натурального, при этом дефектов в процессе эксплуатации возникает гораздо больше. Очевидно, что актуальной проблемой благоустройства является поиск материала для мощения, сочетающего в себе потребительские характеристики натурального камня и стоимость искусственного.
Среди всех существующих материалов, способных сочетать в себе необходимый набор качеств, являются синтетические минеральные сплавы.
Синтетические минеральные сплавы (симиналы) - это группа материалов, получаемых по технологии высокотемпературного синтеза плавлением ВСП (технология каменного литья). Сырьем для производства симиналов служат основные и ультраосновные горные породы и зольно-шлаковые отходы техногенного происхождения (доменные шлаки, топливные золы и т.д.).
В настоящее время симиналы применяются как конструкционный материал в тяжелой промышленности, литые изделия из него используют для футеровки трубопроводов, гидроциклонов, лотков и прочих емкостей, контактирующих с агрессивными химическими средами и высокоабразивными материалами, например при транспортировке пульпы на горно-обогатительных комбинатах и т.д. В таких сложных условиях изделия из сими-налов работают лучше любых металлов и полимеров благодаря уникальным показателям по химической стойкости (на уровне 96 %) и стойкости к истирающим нагрузкам (твердость по Моосу 7-8 баллов). Некоторые разновидности симиналов (в зависимости от используемого для их получения сырья) являются термостойкими и способны выдерживать сотни циклов теплосмен, причем не только повышенные, но и пониженные температуры (морозостойкие симиналы).
До последнего времени изделия из симиналов не рассматривались в контексте использования их с целью благоустройства населенных пунктов, между тем набор потребительских характеристик и относительно доступная технология их изготовления позволяет говорить о широких перспективах применения изделий из симиналов именно для мощения и облицовочных работ.
Принципиально от любых дорожных покрытий камнелитые изделия из симиналов отличаются, прежде всего, принципом изготовления.
Асфальтобетон представляет собой строительный материал, получаемый в результате затвердевания уплотненной асфальтобетонной смеси, состоящей из минеральных заполнителей (щебня, песка, тонкодисперсного минерального порошка) и органического вяжущего материала (битума). Качество покрытия из асфальтобетона зависит от качества составляющих, оно регламентируется ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» [1]. По сути, асфальтобетон представляет собой спеченный материал.
Покрытие из искусственного камня разительно отличается от асфальтобетонного по принципу монтажа, который как раз и заключается в мощении. Сама же технология изготовления штучных изделий для мощения достаточно близка по принципу к получению асфальтобетона, поскольку подразумевает отливку или прессование вяжущего раствора, состоящего также из связующего и частиц, которые гораздо более мелкодисперсные. Для придания цветности изделиям в растворы добавляют пигменты, как правило, подверженные
выгоранию в течение определенного времени. Изготовление таких изделий, тротуарных плит, регламентируется ГОСТ 17608-91 «Плиты бетонные тротуарные», а сопутствующих изделий (бордюрных камней) - ГОСТ 6665-91 «Элементы обустройства дорог (бордюр)» [2, 3].
Изделия для мощения, выполненные из натурального камня, резко отличаются от асфальтобетона и искусственного камня, поскольку представляют собой выпаленные (колотые) и обработанные механически бруски из глыбы натуральной горной породы, добывающейся в карьерах. В структуре натурального камня нет ни связующего, ни мелкодисперсных частиц как таковых, он представляет собой монолит. Наиболее востребованные породы для брусчатки - это гранит, мрамор и подобные им. Монтаж изделий из натурального камня при мощении осуществляется так же, как и при использовании изделий из искусственного камня, качество же самих единичных изделий регламентируется ГОСТ 9480-89 «Плиты облицовочные пиленые из природного камня» и ГОСТ 23342-91 «Изделия архитектурно-строительные из природного камня» [4, 5].
Технология изготовления штучных литых изделий из симиналов отличается от всех предыдущих, она крайне похожа на технологию получения отливок в металлургии, наиболее распространенный способ - литье в песчано-глинистые формы, общая схема этого процесса представлена на рис. 1 [6].
Для заливки получают огненно-жидкий расплав, его плавка может проводиться в электрических и топливных печах. Как правило, минеральный расплав имеет два слоя: верхний - пенистый, наиболее горячий, и нижний -более однородный и несколько охлажденный. По мере завершения процесса плавления нижний основной слой расплава все больше охлаждается, гомогенизируется и дегазируется. К тому же основная масса тепла при плавке выделяется в самом расплаве, он как бы является нагревательным элементом. Средняя температура камнелитого расплава при выпуске из печи составляет 1500-1520 °С. Заливка производится из металлического, как правило, нефутерованного, предварительно прогретого ковша. Рекомендуемый диапазон температур заливки составляет 1250-1320 °С, при более высокой температуре структура отливок будет крупнозернистой, увеличится вероятность образования трещин и пригара.
Таким образом, структура отливок принципиально отличается от структуры общераспространенных искусственных дорожных материалов, она наиболее близка к натуральному камню, так как тоже представляет собой монолит, но при этом технология получения единичных изделий из симиналов позволяет достигнуть той же свободы формообразования, что и при изготовлении искусственного камня.
Формирование в отливке из симинала равномерной структуры обеспечивается кристаллизационно-отжиговой обработкой залитых форм в печи туннельного типа. По завершении отжига отливки извлекаются из формы и при необходимости подвергаются минимальной механической обработке.
В настоящее время ни технических условий, ни государственных стандартов, регламентирующих качество единичных изделий для мощения, для симиналов не введено в обращение, однако таковые могут быть сформированы с опорой на номенклатуру существующих облицовочных и футеровочных изделий из симиналов.
Изделия из симиналов, которые могут применяться для мощения, благоустройства, в том числе для облицовочных работ, причем не только в экстерьере промышленных и общественных зданий, но и в интерьере, можно разделить на несколько групп в зависимости от формы: простые, сложные, абстрактные и имитационные (рис. 2). Размеры камнелитых плит традиционно находятся в диапазоне от 180*115x18 до 300*120*30,
Рис. 1. Технологическая схема изготовления камнелитых отливок из симиналов литьем в песчано-глинистые формы
в г
Рис. 2. Формы литых изделий из симиналов для мощения: а - простые геометрические формы; б - сложные геометрические формы; в - абстрактные формы; г - имитационные формы
Для того чтобы оценить потенциал симиналов в качестве материалов для мощения, необходимо рассмотреть их эксплуатационные свойства и соответствующие физико-механические характеристики, определить, как эти показатели соотносятся с аналогичными параметрами общепринятых дорожных покрытий, выяснить наиболее оптимальные конструкционные характеристики изделий из симиналов для мощения различных поверхностей в зависимости от эксплуатационных условий, а также разработать технологические рекомендации для мощения дорог изделиями из симиналов.
Сравнительный обзор основных эксплуатационных характеристик симиналов и общепринятых дорожных покрытий представлен в табл. 1 и 2. В табл. 1 отражены физико-механические характеристики, а в табл. 2 - эксплуатационные (потребительские).
Показатели свойств, перечисленные в табл. 1, являются основными при оценке материалов дорожного покрытия, и, как видно, симиналы вполне могут претендовать на то, чтобы быть по уровню применения наравне со своими аналогами, однако рабочие характеристики - это еще не аргумент для того, чтобы выбор потребителей осуществлялся именно в пользу симиналов. В большей степени на востребованность продукции влияет соотношение экономических показателей и потребительских свойств (табл. 2).
Сравнение физико-механических характеристик дорожных покрытий
Материал Свойства
Прочность на сжатие, МПа Прочность на изгиб, МПа Водо- поглощение, % Морозостойкость, циклов Истираемость, г/см2
Асфальтобетон 3-9 0,7-1 5-15 100-150 1-2
Симинал 400-800 100-120 0,02-0,7 225-250 0,01-0,25
Искусственный камень 45 3-5 6-8 200 0,7-1,5
Натуральный камень 50-300 - 0,2-0,4 200-250 2-5
В качестве аргументации по проведенному обзору следует учесть:
- удобство монтажа - это понятие объединяет не только потребность спецтехники и возможный уровень механизации и автоматизации процесса укладки покрытия, но и удобство его хранения в процесс монтажа, поскольку зачастую одним днем такие работы не ограничиваются. По технологичности, с точки зрения автоматизации и потребности в технике, симиналы, в принципе, не сильно отличаются от искусственного камня на цементно-бетонной основе. Однако традиционный искусственный камень на основе вяжущих смесей крайне чувствителен к влаге, изделия из него достаточно быстро насыщаются влагой, вследствие чего изменяют свои характеристики, вплоть до геометрических размеров. Именно здесь проявляется основное преимущество симиналов: благодаря плотной монолитной структуре изделия из них могут в течение длительного времени находится в условиях повышенной влажности, подвергаться дождевым осадкам и при этом не испытывать разрушительного действия воды, по данным показателям симиналы во многом превосходят даже некоторые разновидности натурального камня;
- ремонтопригодность дорог мощенных изделиями из симиналов и искусственным камнем находится на одном уровне, а значит, они почти в равной степени превосходят асфальтобетонное покрытие, однако изделия из си-миналов более стойкие при демонтаже и в меньшей степени подвергаются разрушению при механическом воздействии, что вызвано стойкостью к старению;
- экологичность, данное качество присуще всем искусственным камням, однако у симиналов это качество остается практически неизменным на протяжении всего срока службы. Причем экологичность симиналов выражается не только в безопасности для окружающей среды, но и в полной стойкости к ее агрессивным проявлениям и полной утилизируемости. На изделиях
из симиналов не образуется ни грибковых отложений, ни плесени, они не разрушаются от воздействия различных излучений, в том числе радиационных, и при этом изделия из симиналов могут быть подвергнуты переплавке и из них могут быть получены полноценные литые изделия абсолютно любой конфигурации;
- декоративность - важное свойство материала, используемого для благоустройства. Поскольку благоустройство подразумевает не только прямую утилитарную задачу, состоящую в создании комфортных условий, но еще и улучшение внешнего облика населенного пункта (если речь идет о промышленной территории, то благоустройство подразумевает решение задач, связанных с разделением пространства на зоны - разгрузочные, повышенной опасности и т.д., созданием дополнительной навигации по территории). Декоративность - это не дополнительное свойство дорожного покрытия, а одна из его основных характеристик. Искусственный камень и сам принцип мощения позволяют добиться как эстетического эффекта, так и утилитарного, позволяют создавать узоры и цветоразметку. Симиналы не уступают этому материалу, а по некоторым параметрам даже превосходят его, и прежде всего -по фактурным характеристикам. Изделия из симиналов получают при литье огненно-жидкого расплава, что само по себе подразумевает практически полный контроль параметров формируемой на поверхности изделия шероховатости и текстуры, учитывая высокую абразивостойкость. Можно предположить, что дорожные покрытия из симиналов способны разграничивать, организовывать пространство городской и производственной среды не только посредством зрительных ощущений, а и по тактильно-зрительным параметрам;
- универсальность, по этому параметру симиналы во многом превосходят все дорожные покрытия, поскольку, прежде всего, могут использоваться не только снаружи здания, но и внутри, причем не только как напольное покрытие, но и как облицовочное (от толщины изделия прочностные характеристики симиналов не зависят). Еще одно не освоенное с практической точки зрения свойство симиналов - это теплоемкость и способность к аккумулированию тепла, которое также может быть использовано при оформлении интерьеров зданий и промышленных открытых площадок [8].
Проведенный сравнительный обзор характеризует симинал как практически полностью универсальный материал для благоустройства и мощения улиц, способный совмещать в себе сразу несколько функций и решать более широкий круг потребительских задач лучше, чем его косвенные аналоги. С точки зрения соотношения стоимости и долговечности (табл. 3) симиналы также обходят другие материалы, что дает основание дать заключение о высокой конкурентной способности симиналов на потребительском рынке.
Обзор потребительских качеств различных дорожных покрытий
По- каза- тель Разновидность покрытия
Асфальтобетон Искусственный камень Натуральный камень Симинал
Удобство монтажа Для устройства покрытия требуется целый комплект машин: асфальтоукладчик, дорожные катки Имеется возможность механизированной укладки. Производительность укладчика до 1500 м2 в смену
Ремонто- пригодность Покрытие после вскрытия повторно не используется. Для ремонта требуется специальная техника и оборудование (асфальтоукладчик, дорожные катки, фрезы) Единичные изделия для мощения многократно используются. Покрытие разбирается и восстанавливается обратно при прокладке и обслуживании подземных коммуникаций. При ремонте не требуются специальные машины (у симиналов высокая прочность, иногда превышающая аналогичный показатель натурального камня и они выдерживают большее число циклов демонтажа)
Экологичность Асфальтобетон -строительный материал, содержащий битум. Основные компоненты нефтяного битума -асфальтены, смолы и нефтяные масла, вредные пары которых испаряются особенно интенсивно в процессе укладки смеси, а также в течение всего срока эксплуатации дорожного покрытия Бетон не выделяет в атмосферу вредных веществ Полностью экологически безопасен Не только полностью безопасен, но и не подвержен негативному воздействию факторов окружающей среды, не подвергается старению
Декоративность Цветные асфальтобетоны не получили широкого распространения Широкая возможность для придания разных цветов, которые не выгорают, большая возможность придания материалу фактуры Зависит от выбранной породы камня Имеется возможность добиться полного сходства с натуральным камнем нужного оттенка
Универ- сальность Используется только как дорожное покрытие Используется только для благоустройства открытых пространств Кроме мощения, может использовать в оформлении интерьеров общественных и промышленных зданий
Стоимость и долговечность дорожных покрытий
Показатель Материал
Натуральный камень Асфальтобетон Симинал Искусственный камень
Средний межремонтный срок службы, лет 15-30 2-3 15-25 8
Стоимость 1 м2 с учетом расходов на монтаж, руб. 900-1500 450-600 600-800 500-600
Конструкционные особенности изделий для мощения из симиналов, равно как и технология их монтажа, на первый взгляд могут быть точно такими же, как и у искусственного камня, однако это лишь на первый взгляд. Как было уже упомянуто ранее, симиналы могут быть использованы не только на улице или портовых площадках, но и в интерьере общественных и промышленных зданий, причем как в качестве напольного, так и в качестве облицовочного материала. Кроме того, с помощью правильно выбранной конфигурации изделий можно осуществлять термоизоляцию различных поверхностей. Расширенную возможность применения необходимо учесть при конструировании изделий и выборе способа их монтажа в зависимости от условий эксплуатации и набора функций, которые эти изделия будут нести [7].
Форма изделий из симиналов не ограничивается ничем, кроме общих правил конструирования литых изделий: следует учитывать, что изделия толщиной менее 1 см теряют ряд свойств при обычной технологии изготовления, однако при необходимости технология может быть скорректирована [8].
Тем не менее вопрос формы изделий крайне важен при эксплуатации мощеного покрытия, в связи с чем даны основные рекомендации по выбору формы, размеров и раскладки изделий из симиналов при мощении:
- изделия из симиналов восьмиугольной, шестиугольной и квадратной формы обладают максимальным сопротивлением воздействиям автомобильного движения. Также данные формы наиболее целесообразны с точки зрения минимальной протяженности швов в покрытии;
- фигурные элементы мощения (с горизонтальной связью в плане) лучше перераспределяют силы скольжения и качения по поверхности дорожного покрытия, чем значительно снижают нагрузку на основание. Дорожное покрытие из них обладает максимальной устойчивостью к сдвигу.
Поэтому рекомендуется применение фигурных изделий из симиналов на участках дорог с уклоном местности и на участках дорог с автомобильным движением;
- при проектировании покрытий, составленных из камнелитых изделий различной конфигурации и размеров, следует избегать применения изделий с резко различающимися (более чем в два раза) размерами в плане.
Раскладка изделий мощения из симиналов имеет большое значение при интенсивном автомобильном движении, когда особенно важно обеспечить прочность, ровность и равномерный износ дорожного покрытия. С этой точки зрения рекомендуется вести укладку изделий мощения под углом 45° к оси движения автотранспорта, чтобы все места стыков подвергались примерно одинаковому износу, а в контакте с колесом находилось максимальное количество элементов мощения (рис. 3). В местах, где нагрузки от транспорта незначительны, возможно использование разнообразных вариантов рисунков мощения.
Рис. 3. Рекомендуемые схемы укладки изделий из симиналов при мощении дорожных покрытий, обеспечивающих интенсивное передвижение автотранспорта
Применение изделий из симиналов в качестве облицовочных изделий ничем не отличается от укладки натурального камня при облицовочных работах. Благодаря возможности фактурообразования на контактной стороне изделий может быть создана любая шероховатость и упорядоченность неровностей для создания крепкого сцепления с укладочным раствором. Однако при монтаже на улице процедура монтажа имеет более сложный характер, и возможность создать любой узор и шероховатость позволяет улучшить ка-
чество сцепления изделий с дорожной одеждой, причем без ущерба декоративности: гладкая с лицевой стороны плитка из симинала может иметь рабочую поверхность абсолютно любой конфигурации [9].
Мощение дороги изделиями из симиналов проводится по той же технологии, что и мощение любыми другими единичными изделиями, и предполагает наличие под элементами мощения дорожной одежды (рис. 4) [10].
В представленной схеме не отражены еще две важные конструктивные особенности дорожной одежды: обязательное наличие тепло- и гидроизоляции, их наличие особенно важно в том случае, когда мощение производится вблизи зданий. В случае использования симиналов гидроизоляция может производиться менее тщательно, чем в случае применения искусственного камня, поскольку симиналы обладают значительно более низким водопоглоще-нием, это же относится и к термоизоляции, благодаря тепловым свойствам симиналов, описанным ранее.
Штучные камнелитные из симиналов с герметизирующем заполнением швов Монтажный слой
Прослойка под монтажным слоем Несущий слой основания
Дополнительный слой основания
Укрепленный (улучшенный) слой грунта земляного полотна
Грунт земляного полотна
Рис. 4. Общая схема дорожной одежды
Наиболее важным в случае использования симиналов для мощения является межшовное заполнение. Через швы в основание дорожной одежды поступает поверхностная вода. Это негативно сказывается на работе всей дорожной конструкции, а также способствует дополнительному увлажнению стен зданий и подтоплению фундаментов. Поэтому очень важно на стадии проектирования и строительства предусмотреть мероприятия по водоотведению, дренированию дорожных одежд и гидроизоляции примыкающих к мощению подземных частей зданий. Анализ существующих рекомендаций позволяет сформулировать таковые применительно и к симиналам:
- для обеспечения отвода воды от водосточных труб необходимо предусматривать специальный желоб. Для устройства желоба применяются специальные водосборные лотки (рис. 5) или устраивается местное понижение поперечного ряда изделий для мощения (рис. 6). Стыковые швы в желобе должны быть заполнены гидроизолирующим материалом, например битумной мастикой или цементным раствором, идеальным вариантом будет использовать вяжущий раствор на основе самих симиналов;
- на тротуарах, примыкающим к зданиям, имеющим историческую ценность, следует предусматривать специальную полосу вдоль фундамента, в которой швы должны быть заполнены гидроизолирующим материалом или цементным раствором. Ширина полосы должна быть ориентировочно на 20 см шире расстояния от фундамента до обычной линии каплепадения с козырька крыши, но не менее 50 см. При этом конструкция дорожной одежды должна включать дренирующую или водоотводящую прослойку под монтажным слоем. Для одинакового зрительного восприятия всего
тротуара верхняя часть швов в указанной полосе
должна быть заполнена тем же материалом, что и в швы на оставшейся части покрытия. Пример дорожного покрытия из мелкоштучных элементов
Рис. 5. Пример с заполнением швов битумной мастикой показан
установки водосборных на рис 7 лотков 5
1 Дорожные слои Рис. 6. Варианты устройства желоба
Рис. 7. Дорожное покрытие из мелкоштучных изделий из симиналов
- при проектировании тротуара в районах существующей застройки на магистральных дорогах и улицах, на которых отсутствуют газоны в пределах красных линий и нет сопутствующего дренажа, следует устраивать дренаж мелкого заложения в тротуаре, если этому не мешают подземные коммуникации. В дренажную траншею должны быть выведены края прослоек из гео-текстильных дренирующих материалов под монтажным слоем. При отсутствии дренажной траншеи края указанных прослоек должны быть выведены в песчаную подушку под бортовыми изделиями (рис. 8).
Геотекстиль Рис. 8. Водоотвод из монтажного слоя
Проведенный сравнительный обзор характеристик симиналов и других материалов, а также выявленные отличительные особенности их применения при мощении и использовании в благоустройстве интерьеров и экстерьеров позволяют охарактеризовать симиналы как материалы с большим потенциалом в данной области, причем основанном не только на превосходстве по свойствам, а, главным образом, на большей конкурентной способности по отношению к существующим аналогам. Представленные технологические рекомендации позволяют говорить о достаточно простом внедрении симина-лов как технического новшества в сфере благоустройства.
Список литературы
1. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон.
2. ГОСТ 17608-91. Плиты бетонные тротуарные.
3. ГОСТ 23342-91. Изделия архитектурно-строительные из природного камня.
4. ГОСТ 9480-89. Плиты облицовочные пиленые из природного камня.
5. ГОСТ 23342-91. Изделия архитектурно-строительные из природного камня.
6. Использование каменного литья для изготовления портретных барельефов и горельефов / А.М. Игнатова [и др.]. // Дизайн. Материалы. Технологии. -2010. - № 1. - С. 27-32.
7. Игнатова А.М., Черных М.М., Игнатов М.Н. Разработка комплексной классификации камнелитой (шлаколитой) промышленной и интерьерной отделочной плитки // Перспективные технологии и материалы: сб. материалов междунар. научн.-техн. конференции. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - С. 216-220.
8. Рекомендации по конструкции дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения / Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. Автомобильно-дорожный институт. -СПб., 2006. - 78 с.
9. Игнатова А.М., Черных М.М. Закономерности формирования и восприятия рельефа художественных, бытовых и ювелирных отливок из симина-лов // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. - Пермь, 2010. -№ 4. - С. 114-120.
Получено 20.09.2010
