CC BY
0Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса
Код ВАК 4.3.1 УДК 691.405.8
МАКРОСТРУКТУРА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ЗАГОРОДНОГО И СЕЛЬСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
И.Д. Закирьянова1, Т.Б. Попова1* 1ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Россия, г. Екатеринбург *E-mail: popova_tb@urgau.ru
Аннотация. Актуальность работы связана с применение керамзитового гравия в качестве теплоизоляционного строительного материала в сельском строительстве, которое позволяет значительно удешевить строительные проекты, обеспечивает равномерную усадку фундаментов, а также энергосбережение при дальнейшей эксплуатации. Целью работы является изучение взаимосвязи макростурктура - эксплуатационные свойства керамзитового гравия. Макрострутура, в частности величина пористости и ее характер (размер и форма пор, равномерность распределения пор по объему, их структура - сообщающиеся поры или замкнутые), исследовалась методами оптической микроскопии. Испытания эксплуатационных свойств проводились согласно ГОСТ 9758-2012. Установлено, что наличие поверхностных дефектов, открытых и сквозных пор и микротрещин приводит к повышенному водопоглащению материала. Негативными факторами также являются относительно небольшой (45 %) объем, занимаемый замкнутыми порами, и большая величина истинной плотности керамзита. Положительными факторами являются прочностные характеристики керамзитового гравия близкие к таковым для ячеистых бетонов.
Ключевые слова: керамзитовый гравий, теплоизоляция, пористые материалы, макроструктура, эксплуатационные свойства.
MACRO-STRUCTURE AND PERFORMANCE PROPERTIES OF EXPANDED GRAVEL USED FOR
COUNTRY AND RURAL CONSTRUCTION
I.D. Zakiryanova1, T.B. Popova1* 1Ural State Agrarian University, Russian Federation, Yekaterinburg. *E-mail: popova_tb@urgau.ru
Abstract. The relevance of the work is related to the use of expanded clay gravel as a heat-insulating
building material in rural construction, which can significantly reduce the cost of construction projects, ensure
uniform shrinkage of foundations, as well as energy saving during further operation. The purpose of the work is
to study the relationship between macrostructure and operational properties of expanded clay gravel. The
macrostructure, in particular the amount of porosity and its nature (size and shape of pores, uniform distribution
of pores throughout the volume, their structure - communicating or closed pores), was studied by optical 40
microscopy. Performance tests were carried out in accordance with GOST 9758-2012. It has been established that the presence of surface defects, open and through pores and microcracks leads to increased water absorption of the material. Negative factors are also the relatively small (45%) volume occupied by closed pores and the large value of the true density of expanded clay. Positive factors are the strength characteristics of expanded clay gravel, which are close to those of cellular concrete.
Keywords: expanded clay gravel, thermal insulation, porous materials, macrostructure, performance properties
Постановка проблемы (Introduction)
Энергосбережение является приоритетным направлением энергетической политики РФ. Пористые теплоизоляционные строительные материалы играют большую роль при возведении энергоэффективных жилых и промышленных объектов в загородном и сельском строительстве [1-7].
Теплоизоляционные материалы можно разделить на три группы, в зависимости от характера структуры: материалы с жесткой, ячеистой структурой, материалы с зернистой, несвязанной структурой и материалы c волокнистой структурой. Выбор материалов для проведения теплоизоляционных работ предопределяется прежде всего характером объекта тепловой защиты, целесообразностью способа его защиты, наличием материалов и удобством их использования при проведении работ. Основным критерием при выборе утеплителя должен быть принцип соответствия долговечности утеплителя и основного строительного материала [8-10].
Керамзит - распространенный теплоизоляционный пористый материал с жесткой ячеистой структурой, получаемый путём обжига глины или глинистого сланца. Он используется для создания теплоизоляционного слоя фундаментов, полов, потолков, при утеплении мансард, в качестве заполнителя перекрытий, как чердачных, так и межэтажных.
Часто этот материал используют в качестве керамзитовой «подушки» для бетона, заменяя щебневые или песчаные материалы. Причем такая замена возможна во всех сферах: начиная от строительства фундаментов и заканчивая устройством простых бетонных стяжек. Кроме того, керамзит является огнестойким, экологически чистым материалом. Он устойчив к циклам замораживания-размораживания, сохраняет свои эксплуатационные свойства даже при очень низких температурах. Минимальную морозостойкость керамзита устанавливает ГОСТ 32447-2013 [11], согласно которому она должна составлять не менее 15 циклов (марка по морозостойкости F15). Этот показатель наиболее важен при использовании керамзитового гравия в условиях северных регионов и Арктики.
Применение керамзитового гравия в качестве отсыпки для фундаментов (которая играет роль и утеплителя) позволяет в значительной степени уменьшить глубину залегания фундаментов. Зачастую этот показатель отличается в 2 раза, что, ведет к значительному снижению стоимости всего проекта. Использование керамзитового гравия в виде отсыпки не только экономит средства, но и предотвращает
промерзание грунта вокруг него. Это позволяет самому фундаменту не расслаиваться и не трескаться, давать равномерную усадку.
Немаловажным преимуществом использования данного вида строительного материала является его относительно невысокая стоимость на рынке (800 - 900 руб. за 1 м3).
В связи с этим актуально проведение материаловедческих исследований, направленных на выявления взаимосвязи структуры и свойств керамзита, используемого в качестве пористого теплоизоляционного материала в загородном и сельском строительстве.
Цель исследования - выявить взаимосвязь макростурктуры и эксплуатационных характеристик керамзитового гравия, используемого при строительстве жилых и промышленных объектов.
Задачи исследования:
- провести анализ макроструктуры гранулированного керамзита;
- определить основные эксплуатационные свойства исследуемых образцов керамзита: теплопроводность, среднюю, истинную и насыпную плотность, гранулометрический состав, водопоглощение по массе и по объему, открытую, закрытую и общую пористость, морозостойкость; прочностные характеристики;
- выявить корреляции между поровым строением и свойствами керамзита.
Методология и методы исследования (Methods)
В качестве исследуемого материала был взят керамзитовый гравий (рисунок 1) производства ООО «Кушвинский керамзитовый завод» [12].
Рисунок 1 - Керамзитовый гравий Исследование макроструктуры образцов проводили на микроскопе, фотографии макроструктуры получали с помощью фотонасадки.
Испытания эксплуатационных свойств проводили согласно ГОСТ 9758-2012 [13]. Были определены: 1) гранулометрический состав испытуемого образца; 2) насыпная плотность; 3) средняя плотность гранул; 4) истинная плотность материала; 5) общая, открытая и закрытая пористость гранул;
6) водопоглощение по массе и по объему; 7) морозостойкость; 8) прочность на сжатие; 9) теплопроводность.
Определение гранулометрического состава проводили на наборе сит 40; 20; 10; 5; 0,16.
Частный остаток на каждом из сит определяли по формуле
щ = — X 100 %, (1)
где Ш1 - остаток материала на сите; М - масса просеянной пробы.
Определение насыпной плотности проводили с помощью мерного цилиндра объёмом 2 литра, который перед испытанием был взвешен на весах. Материал с высоты 10 см насыпали в цилиндр до полного его заполнения и образованием над ним конуса. После этого, цилиндр с материалом взвешивали на весах, и насыпная плотность высчитывали по формуле
Рнас = (Ш2-Ш1)/ Уц, (2)
где Ш1 - масса пустого цилиндра, г; Ш2 - масса цилиндра с материалом, г; Уц - объём мерного цилиндра, см3.
Для определения средней плотности зёрен материал размером зёрен 20-40 мм, взвешивали и высыпали в стеклянный мерный цилиндр, в который также высыпали песок фракции 0,63-2,5 мм. Песок должен полностью закрывать после некоторого его уплотнения в цилиндре верхние зёрна материала. Определяли объём слоя керамзита и песка. Затем отделяли песок от исследуемого материала и с помощью мерного цилиндра определяли объём слоя материала.
Среднюю плотность материала высчитали по формуле
Рср = ш/ (VI - У2), (3)
где ш - масса пробы исследуемого материала, кг; У1 - объём слоя материала и песка, м3; У2 - объём слоя песка, м3.
Истинную плотность образцов определяли пикнометрическим способом. Перед испытанием образец измельчали до полного прохождения его через сито № 008. Для определения плотности пикнометр моют, высушивают в сушильном шкафу, охлаждают в эксикаторе, взвешивают на аналитических весах и получают шо. Насыпают в пикнометр материал и взвешивают, получают массу ш. Затем определяют массу порошка Шп = ш - шо. Пикнометр с порошком наполняют дистиллированной водой так, чтобы она полностью покрыла весь порошок, до метки, взвешивают и получают массу Ш1. Содержимое пикнометра удаляют, наполняют водой до метки и снова взвешивают, получая значение Ш2. Плотность определяют по формуле:
Рист = ШпРв/(Ш2-Ш1+Шп), (4)
где Шп - навеска порошка, г; Ш1 - масса пикнометра с порошком и водой, г; Ш2 - масса пикнометра с водой, г; рв - плотность воды.
Водопоглощение керамзитового гравия определяли для образцов, предварительно высушенных в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы. После высушивания образцы 43
охлаждали до комнатной температуры и взвешивали. Затем укладывали в емкость с водой, имеющей температуру +20 °С. В воде образцы выдерживали 48 ч, затем вынимали, обтирали влажной мягкой тканью и сразу взвешивали.
Водопоглощение образцов по массе вычисляли по формуле
Вт = т"ас-тсух . 100%, (5)
где Шнас - масса насыщенного водой материала, г; тсух. - масса сухого материала, г.
Измерив среднюю и истинную плотности образцов, определили их общую пористость по формуле:
П = (рист - рср)/рист • 100 %, (6)
Зная среднюю плотность материала и водопоглощение по массе, рассчитали водопоглощение по объёму по формуле
Bv = Bm / Рср , (7)
Закрытую пористость вычисляем как разность общей и открытой пористости по формуле
Пз = П - По, (8)
Теплопроводность материалов определялась согласно ГОСТ 7076-99 [14] с помощью прибора НТП МГ4, в насыпном состоянии при стационарном тепловом режиме.
Морозостойкость материалов определили испытанием в растворе сернокислого натрия согласно ГОСТ 9758-2012 [13]. Для испытания была взята навеска материала фракции 20-40 мм, погружаемая в раствор сернокислого натрия (р=1160 кг/м3) продолжительностью 18 ч. После чего, материал промывали в горячей воде и ставили в сушильный шкаф (t = 105 °С) на 4 часа. Циклы повторялись до тех пор, пока не наступило разрушение материала. После каждого цикла проводилось взвешивание.
Прочность керамзитового гравия определяли путём сдавливания его в цилиндре диаметром 7,5 см. Прочность материала определяли по формуле
Р = F / S , (1)
где F - нагрузка при сдавливании заполнителя, соответствующая погружению пуансона на 20 мм; S - площадь поперечного сечения цилиндра, см2.
Результаты (Results)
Для того чтобы провести исследование макроструктуры материала под бинокулярным микроскопом, образцы керамзитового гравия подверглись распиливанию, а их поверхности, в последующем, отшлифованы. Фотографии макроструктуры были получены при увеличении микроскопа в 40 раз.
Из фотографий макроструктуры керамзитового гравия видно, что поры керамзита различного размера, неравномерно распределены по объёму. Отмечено наличие как замкнутых, так и сообщающихся
пор (рисунок 2). Кроме того, получили фотографии внешней поверхности образцов (рисунок 3), которые показали наличие микротрещин, разных по размеру и форме открытых пор.
Рисунок 2 - Макроструктура керамзитового гравия при увеличении в 40 раз
Рисунок 3 - Макроструктура внешней поверхности керамзитового гравия при увеличении в 40
раз
В таблице 1 представлены результаты исследования пористости керамзитового гравия.
Таблица 1 - Описание пористости образцов
Показатель Керамзитовый гравий
Наибольший размер пор, мм 0,8
Форма пор Произвольной формы
Равномерность по размеру пор Неравномерно
Равномерность распределения пор по объёму материала Неравномерно
Структура пор (сообщающиеся или замкнутые) Присутствуют как замкнутые, так и сообщающиеся
Наличие дефектов Обнаружены трещины на поверхности гранул
Наличие открытых пор Присутствуют открытые поры
Наличие сквозных пор Присутствуют
Наличие микротрещин Присутствуют
Результаты исследования эксплуатационных характеристик керамзитового гравия
Результаты определения гранулометрического состава керамзитового гравия приведены в таблице
Таблица 2 - Гранулометрический состав керамзитового гравия
Материал Наименование остатка Остатки на ситах, % по массе Проход через сито № 016, % по массе
40 20 10 5 0,16
Керамзит Частный (аО 0 10 80,5 8,5 1 0
Полный (А^ 0 10 90,5 99,0 100 0
По гранулометрическому составу испытанный керамзитовый гравий соответствует требованиям ГОСТ 32497-2013 [15].
В таблице 3 приведены результаты проведённых испытаний по определению эксплуатационных характеристик керамзитового гравия.
Таблица 3 - Эксплуатационные характеристики керамзитового гравия
Показатель Керамзитовый гравий
Насыпная плотность, кг/м3 520
Средняя плотность, кг/м3 910
Истинная плотность, кг/см3 2740
Водопоглощение по массе, % 23,56
Водопоглощение по объёму, % 21,44
Открытая пористость, % 21,44
Общая пористость, % 66,79
Закрытая пористость, % 45,35
Теплопроводность, Вт/м°С 0,17
Марка по морозостойкости Б15
Прочность на сжатие, МПа 3,17
От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры - сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: средняя плотность, прочность, теплопроводность, водопоглощение, морозостойкость. Открытые поры увеличивают водопоглощение материала, что приводит к ухудшению его теплоизоляционных характеристик и морозостойкости. Уменьшение закрытой пористости за счет
открытой также ухудшают его теплоизоляционные свойства. Вместе с тем, полученные данные по прочностным характеристикам керамзитового гравия близки к таковым для ячеистых бетонов [16], что является положительным фактором.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
Исследуемые образцы керамзитового гравия удовлетворяют требованиям ГОСТ 32497-2013 [14] «Заполнители пористые теплоизоляционные для зданий и сооружений». Установлено, что особенности порового строения керамзита определяют его основные эксплуатационные характеристики.
Наличие различных дефектов на поверхности керамзитового гравия, а также наличие открытых и сквозных пор, микротрещин приводят к тому, что данный материал обладает большим водопоглощением. К факторам, ухудшающим теплоизоляционные свойства, можно отнести относительно небольшой (45 %) объем, занимаемый замкнутыми порами и большую величину истинной плотности керамзита.
Для эффективного применения керамзитового гравия в качестве теплоизоляционного материала для загородного и сельского строительства можно рекомендовать дополнительное использование слоя гидроизоляции для уменьшения водопоглощения материала и сохранение его эксплуатационных характеристик.
Библиографический список
1. Горелик П. И., Золотова Ю.С. Современные теплоизоляционные материалы и особенности их применения. Строительство уникальных зданий и сооружений./ П. И. Горелик, Ю.С. Золотова //№3. 2014. с. 93-103
2. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации"
3. Горшков А.С., Немова Д.В., Ватин Н.И. Формула энергоэффективности // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 49-63.
4. Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. №5. С.297-305
5. Ватин Н.И., Горшков А.С., Немова Д.В. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 3 (8). С. 1-11.
6. Альбом технических решений по применению теплоизоляционных изделий из пенополиуретана торговой марки «Spu-insulation» в строительстве жилых, общественных и промышленных зданий / Ватин Н.И., Величкин В.З., Горшков А.С., Пестряков И.И., Пешков А.А., Немова Д.В., Киски С.С. // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 3 (8). С. 1-264.
7. Ватин Н.И., Немова Д.В., Горшков А.С. Сравнительный анализ потерь тепловой энергии и эксплуатационных затрат на отопление для загородного частного дома при различных минимальных
требованиях к уровню тепловой защиты ограждающих конструкций // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 1 (168). С. 36-39.
8. Ватин Н.И., Горшков А.С., Глумов А.В. Влияние физико-технических и геометрических характеристик штукатурных покрытий на влажностный режим однородных стен из газобетонных блоков // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 1. С. 28-33.
9. Немова Д.В., Ватин Н.И., Горшков А.С., Кашабин А.В., Рымкевич П.П., Цейтин Д.Н. Технико-экономическое обоснование мероприятий по утеплению ограждающих конструкций индивидуального жилого дома. Строительство уникальных зданий и сооружений 2014. №. 8 . С. 93-115
10. В.А. Лотов. Перспективные теплоизоляционные материалы с жесткой структурой. Строительные материалы, 2004. № 11. С.8-10
11. ГОСТ 32497-2013 «Заполнители пористые теплоизоляционные для зданий и сооружений». [Электронный ресурс] Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации URL: https://docs.cntd.ru/document/1200109189 (дата обращения 23.04.2024)
12. Кушвинский керамзитовый завод [Электронный ресурс] Керамзит. URL: http://kushvakeramzit.ru/ (дата обращения 23.04.2024).
13. ГОСТ 9758-2012 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний». [Электронный ресурс] Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации URL: https://docs.cntd.ru/document/1200100905 (дата обращения 23.04.2024)
14. ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». [Электронный ресурс] Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации URL: https://docs.cntd.ru/document/1200005006 (дата обращения 23.04.2024)
15. ГОСТ 32497-2013 «Заполнители пористые теплоизоляционные для зданий и сооружений». [Электронный ресурс] Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации URL: https://docs.cntd.ru/document/1200109189 (дата обращения 23.04.2024)
16. ГОСТ 25485-2019 Бетоны ячеистые. Общие технические условия [Электронный ресурс] Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации URL: https://docs.cntd.ru/document/1200166675 (дата обращения 23.04.2024)
References
1. Gorelik P.I., Zolotova Yu.S. Modern thermal insulation materials and features of their application. Construction of unique buildings and structures./ P. I. Gorelik, Yu.S. Zolotova //No. 3. 2014. p. 93-103
2. Federal Law of November 23, 2009 N 261-FZ "On energy saving and increasing energy efficiency and on introducing amendments to certain legislative acts of the Russian Federation"
3. Gorshkov A.S., Nemova D.V., Vatin N.I. Energy efficiency formula // Construction of unique buildings and structures. 2013. No. 7 (12). pp. 49-63.
4. Gagarin V.G. Thermophysical problems of modern wall enclosing structures of multi-storey buildings // Academia. Architecture and construction. 2009. No. 5. P.297-305
5. Vatin N.I., Gorshkov A.S., Nemova D.V. Energy efficiency of enclosing structures during major repairs // Construction of unique buildings and structures. 2013. No. 3 (8). pp. 1-11.
6. Album of technical solutions for the use of thermal insulation products made of polyurethane foam of the "Spu-insulation" trademark in the construction of residential, public and industrial buildings / Vatin N.I., Velichkin V.Z., Gorshkov A.S., Pestryakov I.I., Peshkov A.A., Nemova D.V., Kiski S.S. // Construction of unique buildings and structures. 2013. No. 3 (8). pp. 1-264.
7. Vatin N.I., Nemova D.V., Gorshkov A.S. Comparative analysis of thermal energy losses and operating costs for heating for a country private house with various minimum requirements for the level of thermal protection of enclosing structures // Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. 2013. No. 1 (168). pp. 36-39.
8. Vatin N.I., Gorshkov A.S., Glumov A.V. The influence of physical, technical and geometric characteristics of plaster coatings on the humidity regime of homogeneous walls made of aerated concrete blocks // Engineering and Construction Journal. 2011. No. 1. P. 28-33.
9. Nemova D.V., Vatin N.I., Gorshkov A.S., Kashabin A.V., Rymkevich P.P., Tseytin D.N. Feasibility study of measures to insulate the enclosing structures of an individual residential building. Construction of unique buildings and structures 2014. No. 8 . pp. 93-115
10. V.A. Lots. Promising thermal insulation materials with a rigid structure. Construction materials, 2004. No. 11. P.8-10
11. GOST 32497-2013 "Porous thermal insulating fillers for buildings and structures." [Electronic resource] Electronic fund of legal and regulatory technical documentation URL: https://docs.cntd.ru/document/1200109189 (date of access 23.04.2024)
12. Kushvinsky expanded clay plant [Electronic resource] Expanded clay. Access mode URL: http://kushvakeramzit.ru/ (date of access 23.04.2024).
13. GOST 9758-2012 "Porous inorganic aggregates for construction work. Test methods". [Electronic resource] Electronic fund of legal and regulatory technical documentation URL: https://docs.cntd.ru/document/1200100905 (date of access 23.04.2024)
14. GOST 7076-99 "Construction materials and products. Methods for determining thermal conductivity and thermal resistance under stationary thermal conditions." [Electronic resource] Electronic fund of legal and regulatory technical documentation URL: https://docs.cntd.ru/document/1200005006 (date of access 23.04.2024)
15. GOST 32497-2013 "Porous heat-insulating fillers for buildings and structures". [Electronic resource] Electronic fund of legal and regulatory technical documentation URL: https://docs.cntd.ru/document/1200109189 (date of access 23.04.2024)
16. GOST 25485-2019 Cellular concrete. General technical conditions. [Electronic resource] Electronic fund of legal and regulatory technical documentation URL: https://docs.cntd.ru/document/1200166675 (date of access 23.04.2024)
