CC BY
12
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS (TECHNICAL)
УДК 691.12
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ НА ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
М. В. АКУЛОВА1, Н. С. ГОЛУБЕВ2, А. И. РУДОЙ2, Н. К. КАСАТКИНА2
1 Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново, 2 Ивановский государственный политехнический университет Российская Федерация, г. Иваново E-mail: m_akulova@mail.ru, nikita230998@mail.ru
В результате пожара может произойти обрушение конструкций, как при тушении, так и при последующей эксплуатации здания или сооружения. В России существуют действующие нормы пожарной безопасности относительно расстояний между домами в поселках, деревнях и других населенных пунктах. Эти расстояния и сами пожарные характеристики домов и материалов отражены в ФЗ от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». В статье представлен подбор состава формовочной смеси для производства строительных блоков повышенной пожарной безопасности на основе минерального вяжущего и органического заполнителя. Установлено, что стебли технической конопли и мискантуса сорта «Камис» имеют хорошие показатели армирования стройматериалов, они прочные и не превращаются в солому при измельчении. Для изготовления прочного блока на органическом заполнителе потребуется 70 % костры технической конопли или измельчённого стебля мискантуса от общего объёма строительного материала. Также рассмотрены свойства изделий, их характеристики и рекомендации по пожарной безопасности.
Ключевые слова: легкие бетоны, строительный материал, органический заполнитель, пожарная безопасность,
FEATURES OF OBTAINING LIGHT CONCRETE ON ORGANIC AGGREGATES
M. V. AKULOVA1, N. S. GOLUBEV2 , A. I. RUDOY2, N. K. KASATKINA2
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Ivanovo State Polytechnic University»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: m_akulova@mail.ru, nikita230998@mail.ru
As a result of a fire, structures can collapse, both during extinguishing and during the subsequent operation of a building or structure. In Russia, there are current fire safety standards regarding the distances between houses in towns, villages and other settlements. These distances and the fire characteristics of houses and materials themselves are reflected in Federal Law of July 22, 2008 № 123-FZ "Technical regulations on fire safety requirements", GOST 30403-96 "Building structures. The article presents the selection of the composition of the molding mixture for the production of building blocks of increased fire safety based on mineral binder and organic aggregate. It has been established that the stems of industrial hemp and miscan-thus variety "Kamis" have good reinforcement of building materials, they are durable and do not turn into straw when crushed. For the manufacture of a durable block on organic aggregate, 70 % of the fire of industrial hemp or a crushed miscanthus stalk from the total volume of building material will be required. The properties of products, their characteristics and recommendations for fire safety are also considered.
Key words: fire safety, building material, lightweight concrete, organic filler.
© Акулова М. В., Голубев Н. С., Рудой А. И., Касаткина Н. К., 2023
134
Блок из технической конопли - разновидность арболита, в котором в качестве органического наполнителя выступают одревесне-вевшие части стеблей селькохозяйственной конопли, благодаря чему такой бетон обладает высокими прочностными характеристиками [1]. На сегодняшний день существует несколько разновидностей растения, а культивируемые сорта были известны в еще в X веке. Конопля в царской России была одной из основных сельскохозяйственных культур. Из нее делали одежду, обувь, лекарства и бумагу. В 30-х годах прошлого века СССР занимал первое место в мире по площади посевов конопли, а пика выращивание конопли в СССР достигло в начале второй половины 20 века. Тогда СССР выращивал до 80 % всей конопли в мире. Сейчас сельскохозяйственная культура набирает популярность в строительстве - блок из технической конопли экологически чистый и теплый материал.
Строительный блок из конопли стал массовым строительным материалом в Европе. Конопляная отрасль в строительстве набирает популярность в США, Канаде, Австралии. Отмечается, что стоимость этого материал на 20 % ниже, чем у арболита из древесных опилок, так как стебли технической конопли являются отходами сельского хозяйства. Блок на основе костры прочен и полностью пригоден для малоэтажного строительства.
Ивановская область занимает первое место в России по посевам технической конопли. Более 2 тыс. гектаров в 2022 году, и число посевов растет с каждым сезоном. По данным РБК в 2023 году культивирование данного растения может войти в число отраслей-драйверов по развитию экономики страны [2].
Производство легких бетонов на данном заполнителе является перспективным направлением в строительной отрасли. На рис. 1 изображен блок на органическом заполнителе из технической конопли.
Рис. 1. Блок из костры технической конопли
Целю данной работы являлась разработка и исследование составов формовочной смеси для производства легких бетонов на особых органических заполнителях Ивановской области.
Для изготовления материала из технической конопли влажную костру измельчали на отрезки длиной в 15-20 мм — не превышая 30 мм, шириной в 10 мм и толщиной в 3-4 мм. Для минерализации костры, удаления вредных для цемента сахаров, полисахаридов, а также для ускорения отверждения смеси в готовый раствор добавляется хлористый кальций, жидкое стекло, реже серная кислота. Для приготовления смеси для формования, в отдельной ёмкости смешивали сухие компоненты - цемент, песок, гипс или известь. Затем в смесь добавляли подготовленную костру и тщательно перемешивали. Полученную смесь заливали в формы и прессовали на вибростанке [2].
Как и любой строительный материал, блок из технической конопли имеет свои преимущества:
- за счет легких органических компонентов вес блока небольшой, поэтому можно не делать фундамент с высокой несущей способностью - достаточно ленточного или свайного;
- блоки распиливают простой ножовкой, хотя это удобнее и быстрее делать бензопилой. В такие стены легко забивать гвозди, закручивать саморезы;
- пористая структура, обеспечивающая его высокую адгезию со штукатурными смесями;
- в умеренном климате для создания несущих стен можно применять блоки размером 500х300х200 мм. С учетом внешней и внутренней отделки, толщина стен становится достаточной, чтобы поддерживать в здании комфортную температуру. Конструкционные элементы имеют теплопроводность 0,12-0,19 Вт/(м °С), а теплоизоляционные -0,07-0,1 Вт/(м °С) [3];
- дышащий стройматериал, его паро-проницаемость составляет 35 %, что дает возможность создавать в доме комфортный микроклимат зимой и летом.
Согласно ГОСТ Р 54854-2011 по огнестойкости, блок на основе органического заполнителя из технической конопли имеет следующие параметры:
• Группа горючести Г1. К ней относятся слабогорючие материалы, которые не горят при отсутствии источника огня. При этом повреждения по длине, причинённые огнём, не превышают 65 %, а полное уничтожение не может достигать больше, чем 20 %. Из этого следует, что костробетон трудногорючий мате-
риал, дом из него не сгорит до прибытия пожарных подразделений.
• Группа воспламеняемости - В1. При определении к какой группе относится тот или иной строительный материал, на него в течение 15 минут воздействуют высокой температурой, и фиксируют, когда материал воспламенится. Костробетон трудновоспламеняемый материал, он выдерживает до 4 часов температуру до 1500 градусов по Цельсию.
• По дымообразующей способности -Д1. Такой материал, если даже начнёт тлеть (при достижении определенной температуры), не будет выделять опасные продукты горения.
Техническая конопля является самым прочным и длинным растительным волокном из всех существующих. Она устойчива к истиранию и гниению. Так как костра из технической конопли не так легко воспламеняется в отличие от дерева или соломы, то её также можно рекомендовать в качестве органического заполнителя для стройматериалов с хорошей степенью пожаробезопасности. В производстве блоков наполнитель из технической конопли находится в цементной рубашке, поэтому качественные изделия относятся к группе - слабогорючие [8].
В данной работе также был подобран состав на основе другого растения - мискантуса. Рассмотрим легкие бетоны с заполнителем из мискантуса сорта «Камис». Упомянутый сорт растения выведен специально для наших климатических условий рискованного земледелия. Это довольно высокое, 180-250 сантиметров, прямостоячее, прочное растение, по своей структуре, напоминающее бамбук. Пока-
затели урожайности у него очень хорошие. Средняя урожайность составляет 7 тонн с гектара, при этом она будет постепенно увеличиваться.
В качестве армирования и для придания теплоизоляционных свойств материалу в строительную смесь добавляли в качестве заполнителя мисантус в рубленом виде 6-12 мм в длину, в ширину 3-5 мм и в толщину 1-2 мм (рис. 2).
Рис. 2. Рубленный мискантус сорта «Камис» фракции 3x2x12
На кафедре Архитектуры и строительных материалов Ивановского государственного политехнического университета был подобран состав для теплоизоляционного конструкционного легкого бетона. В табл. 1 указан состав смеси для производства 1 м3 строительного материала на органическом заполнителе из мискантуса.
Таблица 1. Сырьевые компоненты на 1 м легкого бетона на заполнителе из мискантуса
Наименование компонента Количество, кг
Цемент марки 500 650
Песок (промытый, сухой) ГОСТ для производства бетона 1512
Заполнитель (мискантус сорта «Камис») 50
Гипс 16
Добавка CemStone, л 17
Добавка СаС12 4
Вода, л 350
Наилучшие характеристики бетона получались при применении песка крупной либо средней фракции, способного создать прочный скелет, воспринимающий нагрузки, при формовании и транспортировки блоков на участок сушки. В основную массу песка крупной фракции 3.2 МК рекомендуется добавлять песок средней или мелкой фракции 2.5-1.5 МК. Смесь песка крупных и мелких фракций идеальный материал для приготовления жестких
смесей. Однако в песчаной смеси доля мелкого песка не должна превышать 10 %. В противном случае резко снижается прочность строительных материалов на таком песке. При выборе песка следует руководствоваться требованиям ГОСТ 8736-2014.
Строительный материал из мискантуса, технической конопли - легкий бетон, получаемый подбором состава смеси из органического заполнителя растительного происхождения,
минерального вяжущего, воды и химических добавок. Особенность блоков по сравнению с такими аналогичными изделиями, как фибролит, деревобетон и другими, состоит в том, что для его получения пригодна более широкая
номенклатура. На рис. 3 изображён блок на органическом заполнителе из мискантуса с его преимуществами над аналогичными строительными материалами.
Рис. 3. Преимущества легких бетонов на органических заполнителях
Важнейшей характеристикой легких бетонов на органических заполнителях, как и любых строительных материалов, является предел прочности при сжатии. Предел прочности при сжатии для теплоизоляционных блоков от М5 до М20 включительно, для конструкционного - М25 и более.
Рассмотрим основные конкурентные преимущества данного строительного материала:
1. Из легких бетонов на органических заполнителях можно строить малоэтажные дома, бани, коттеджи, складские помещения. Ближайший аналог нашему материалу, арболит из древесных опилок, который зарекомендовал себя при строительстве зданий в Антарктиде, а также на морских побережьях, в средней полосе Российской Федерации и в Сибири.
2. Строительные материалы на органических заполнителях совмещают в себе наилучшие достоинства дерева и прочность бетона. Они экологичны, имеют наименьший выброс углекислого газа в окружающую среду. Сооружения из таких блоков «дышат» благодаря пористой структуре и растительному армированию.
3. Блоки на органических заполнителях из технической конопли имеют хорошие тепло-
изоляционные показатели, которые лучше, чем у керамзитобетона в 4 раза, и в 7 раз, чем у силикатного кирпича. В доме из такого строительного материала комфортно жить в любое время года, прохладно летом и тепло зимой.
4. Легкие бетоны на органических заполнителях довольно прочные, когда нагрузка на несущею стену превышает максимально допустимую, не происходит растрескивания блоков (эта проблема характерна для бетона, пенобетонных блоков, полнотелого кирпича и газобетонных блоков). За счёт растительного заполнителя материал способен выдерживать нагрузку на изгиб. Желательно строить дома из легкого бетона марки от М25-М50. Чем прочнее произведенный блок на органических заполнителях, тем ниже его теплотехнические показатели.
5. Стены, из блоков на органическом заполнителе имеют высокий коэффициент звукопоглощения, диапазон может составлять 0.15-0.65 для частот звука 125-2000 Гц. К примеру, для кирпичных стен характерен коэффициент звукопоглощения в 0.04 при 1000 Гц, а у стен из дерева данное соотношение составляет 0.06-0.16.
6. Вес строительного материала с наполнителем из мискантуса сорта «камис» составляет 10 кг, и он растет в зависимости от
выбранного состава. При строительстве дома из легкого бетона на органическом заполнителе можно использовать более легкие фундаменты, чем при строительстве объекта из того же кирпича или бетона. Материал легкий, поэтому возникает существенная экономия на фундаменте будущего дома, а также на межэтажных перекрытиях.
7. Блоки на основе технической конопли и мискантуса, в отличие от дерева, не горят, не гниют, не подвержены поражению грибком, благодаря цементной оболочке и специальным добавкам. Кроме растительных компонентов в состав строительного материала входят портландцемент, связующие химического происхождения, известь. Так как щепу мискантуса или костру технической конопли минерализуют, применяя химические добавки, то заполнитель для блоков получается более твердый и
Для строительства небольшого одноэтажного дома или бани из легкого бетона на органических заполнителях потребуются блоки плотностью 500 кг/м3. При возведении двухэтажного коттеджа потребуются более прочные материалы плотностью не менее 700 кг/м3.
Конструкции плотностью менее 500 кг/м3 не способны нести несущею нагрузку, поэтому они относятся к теплоизоляционным. Строители нашли применение для таких органических, теплых блоков, они заполняют пространство между несущими элементами каркасного дома.
К недостаткам легких блоков на органических заполнителях можно отнести нестабильное качество продукции, связанное с особенностями производства. Легкий бетон на органических заполнителях впитывает влагу. Так,
плотный. Вредителям (грызунам) не нравится такое «лакомство», они лучше перебегут в дом из дерева, чем будут грызть силикатную пропитку.
8. Легкие бетоны на органических заполнителях легко пилятся обычной ручной пилой. Строительный материал хорошо держит гвозди, саморезы. При этом, не требует предварительного сверления, или обработки.
9. Дома, построенные в Азии и в северных районах России из аналогичных материалов (арболитов) по-прежнему стоят и служат людям, хотя возведены они были ещё в 60-х годах [4].
Важнейшей характеристикой легких бетонов на органических заполнителях являются их теплоизоляционные свойства, для сохранения тепла в будущем доме (табл. 2).
не рекомендуется использовать блоки в тесном контакте с землей, например, в качестве фундамента. Для того чтобы снизить влагопо-глощение несущих стен, построенных из таких блоков, их необходимо защищать от внешней среды штукатурным или отделочными материалами [5].
Любые растения имеют в своей структуре простые сахара, так называемые полисахариды. Они мешают измельченному стеблю технической конопли, мискантуса и другого органического наполнителя связываться с цементным тестом. Для решения данного аспекта применяются добавки, которые нейтрализуют сахара и делают блоки более прочными. В табл. 3 исследовано влияние воды с простыми сахарами на свойства цементного теста.
Таблица 2. Сравнение строительных материалов по теплотехническим показателям
Название Теплопроводность, Вт/м К Плотность, кг/м3
Блок на органическом заполнителе из технической конопли От 0,07 до 0,17 От 400 до 850
Пенобетонный блок От 0,1 до 0,38 От 100 до 1200
Газобетонный блок От 0,14 до 0,30 От 400 до 800
Керамзитобетон От 0,50 до 0,72 От 900 до 1200
Пустотелый керамический кирпич От 0,34 до 0,48 От 1000 до 1800
Полнотелый керамический кирпич От 0,6 до 0,88 От 1600 до 1950
Шлакобетон От 0,30 до 0,58 От 750 до 1600
Таблица 3. Исследование зависимости свойств арболита от присутствия в воде растворенных веществ
Состав Начало схватывания Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Плотность, кг/м3
С водопроводной водой 2 ч. 19 мин 0.0028 0.045 2098
С водной вытяжкой мискантуса 2 ч. 22 мин 0.0027 0.039 2156
Как видно из табл. 3 в водной вытяжке через 2 дня появились полисахариды, но их влияние на физико-механические характеристики бетонного камня меньше, чем в вытяжках из древесины.
Поэтому в данной работе была изменена технология приготовления формовочной смеси. СаС12 добавляли непосредственно в воду затворения перед формованием вместо предварительного вымачивания мискантуса в растворе хлористого кальция в течение нескольких суток. Это позволяет ускорить и автоматизировать процесс изготовления легкого бетона с добавлением органических наполнителей и в последствии перейти к литьевой технологии формования.
Заключение:
1. Предложен комплексный состав строительной смеси для производства теплоизоляционно-конструкционного легкого бетона на органическом заполнителе из мискантуса марки М35 и выше, который внедрен в практическую деятельность Ивановского государственного политехнического университета, связанную с исследованием повреждений бетонных конструкций в результате высоких термических воздействий.
2. Рассмотрены показатели пожарной безопасности блоков с наполнителем из мискантуса и технической конопли, которые удовлетворяют современным требованиям ГОСТ
Список литературы
1. Голубев Н. С., Акулова М. В., Касаткина Н. К. Технология производства отечественного строительного материала из технической конопли // Молодые ученые - развитию Национальной технологической инициативы (ПОИСК). 2022. № 1. С. 132-134.
2. Гасников А. М. Применение костры технической конопли для производства арболита // Наука в исследованиях молодежи, 2016. Стр. 80-82.
3. Наназашвили И. Х. Строительные материалы из древесно-цементной компози-
и СНиП и могут рекомендоваться для малоэтажного строительства.
3. Проведен сравнительный анализ основных характеристик и преимуществ легких бетонов на органическом заполнителе из мискантуса. Представлена оценка теплотехнических показателей блока на основе технической конопли с ближайшими аналогами на рынке стройматериалов.
4. Исследовано влияние воды с содержанием простых сахаров на свойства цементного теста и прочность строительных материалов.
5. Полученные данные позволят в дальнейшем оценить положительные аспекты и риски применения легких бетонов на органических заполнителях в гражданском и промышленном строительстве. Простота производства блоков и получения результата является перспективным импортозамещающим направлением, так как получаемый материал имеет хорошие экологические, физические и физико-механические свойства и малую пожарную опасность.
Работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы ФГБОУ ВО ИВГПУ. Впервые разработан состав несущих блоков на органическом заполнителе на основе мискантуса с рекомендациями по дальнейшему использованию в строительной отросли.
ции. 2-е изд, перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1990. 415 с.
4. Наназашвили И. Х. Справочник по производству и применению арболита. М.: Стройиздат, 1987. 208 с.
5. Отливанчик А. Н., Маев Е. Д. Технология производства арболита // Сельское строительство. 1964. № 9. С. 5-8.
6. Иванова А. А. Голубев Н. С., Акулова М. В. Повышение эффективности цементных вяжущих с использованием кремнесодер-жащего модификатора // Молодые ученые -развитию Национальной технологической инициативы (ПОИСК). 2022. №1. С. 170-172.
References
1. Golubev N. S., Akulova M. V., Kasatki-na N. K. Tekhnologiya proizvodstva otechestven-nogo stroitel'nogo materiala iz tekhnicheskoy konopli [Technology of production of domestic construction material from technical hemp]. Mo-lodyye uchenyye - razvitiyu Natsional'noy tekhno-logicheskoy initsiativy (POISK), 2022, vol. 1, pp. 132-134.
2. Gasnikov A. M. Primeneniye kostry tekhnicheskoy konopli dlya proizvodstva arbolita [The use of technical hemp bonfires for the production of arbolite]. Nauka v issledovaniyakh mo-lodezhi, 2016, pp. 80-82.
3. Nanazashvili I. H. Stroitel'nyye materi-aly iz drevesno-tsementnoy kompozitsii. 2-ye izd, pererab. i dop. [Building materials from wood-
cement composition 2nd ed., reprint. and additional]. L.: Stroyizdat, 1990. 415 p.
4. Nanazashvili I. H. Spravochnik po pro-izvodstvu i primeneniyu arbolita [Handbook on the production and use of arbolite]. Moscow: Stroyiz-dat, 1987, 208 p.
5. Otlivanchik A. N., Mayev E. D. Tekhnologiya proizvodstva arbolita [Arbolite production technology]. Sel'skoye stroitel'stvo, 1964, vol. 9, pp. 5-8.
6. Ivanova A. A. Golubev N. S., Akulova M. V. Povysheniye effektivnosti tsementnykh vyazhushchikh s ispol'zovaniyem kremneso-derzhashchego modifikatora [Improving the efficiency of cement binders using a silicon-containing modifier]. Molodyye uchenyye - razvitiyu Natsional'noy tekhnologicheskoy initsiativy (POISK), 2022. vol. 1, pp. 170-172.
Акулова Марина Владимировна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
Доктор технических наук, профессор
E-mail: m_akulova@mail.ru
Akulova Marina Vladimirovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
Doctor of Technical Sciences, Professor
E-mail: m_akulova@mail.ru
Голубев Никита Сергеевич
Ивановский государственный политехнический университет «ФГБОУ ВО ИВГПУ»,
Российская Федерация, г. Иваново
Аспирант
Email: nikita230998@mail.ru Golubev Nikita Sergeevich
Ivanovo State Polytechnic University «FGBOU VO IVSPU», Russian Federation, Ivanovo postgraduate student Email: nikita230998@mail.ru
Рудой Александр Иванович
Ивановский государственный политехнический университет «ФГБОУ ВО ИВГПУ»,
Российская Федерация, г. Иваново
Магистрант
Email: sysatk@gmail.com Rudoy Aleksandr Ivanovich
Ivanovo State Polytechnic University «FGBOU VO IVSPU»,
Russian Federation, Ivanovo
Master's student
Email: sysatk@gmail.com
Касаткина Наталья Константиновна
Ивановский государственный политехнический университет «ФГБОУ ВО ИВГПУ»,
Российская Федерация, г. Иваново
доцент
Email: natkonst_15@mail.ru Golubev Nikita Sergeevich
Ivanovo State Polytechnic University "FGBOU VO IVSPU",
Russian Federation, Ivanovo
assistant professor
Email natkonst_15@mail.ru
