Проблемы строительного материаловедения и производства строительных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691

Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет

Проблемы строительного материаловедения и производства строительных материалов

Развитие строительного материаловедения и производства строительных материалов должно осуществляться с учетом целесообразности строительства, безопасности, в том числе экологической, надежности, функциональности, технических требований и разумной экономичности.

После принятия решения о строительстве, определения технических требований происходит выбор конструктивного решения и строительных материалов. Причем с учетом перечисленных требований может быть выбрано несколько видов материалов. Следовательно, необходимо развитие науки и производства различных строительных материалов. Нельзя в российских масштабах отдавать приоритет какому-то единственному стеновому материалу. В советское время лидирующее положение было отдано сборному железобетону. Сейчас похожее положение занимает монолитное домостроение. Но целесообразно ли это в наших климатических условиях? Даже в самых южных регионах зима длится 4—5 месяцев, а есть регионы, где морозы держатся до 10 месяцев. Известны технические проблемы поддержания температуры от 15 до 20оС в твердеющем бетоне при зимнем бетонировании.

Много дискуссий вызывает увлечение строительством высотных зданий в различных регионах. Строительство небоскребов можно объяснить только огромной стоимостью городской земли. Слишком много проблем возникает при строительстве и эксплуатации сверхвысотных зданий. Не решены вопросы надежности, пожарной безопасности и др. В США строительство небоскребов было оправданно наличием скальных оснований с большой несущей способностью. Но самыми главными обстоятельствами были отсутствие исторических традиций на новых землях и старой архитектуры, а также не слишком высокий эстетический уровень потомков переселенцев.

В конце 50-х — начале 60-х гг. ХХ в. в СССР начало развиваться крупнопанельное домостроение. Это развитие продолжалось вплоть до конца 80-х гг. В основу его была положена концепция минимальной стоимости жилья при быстрых сроках строительства. Строительство пятиэтажных домов было аргументировано тем, что для них не нужны были лифты, насосы для подачи воды и т. п. Для их строительства требовался минимум технических средств.

После принятия в 2003 г. Федерального закона «О техническом регулировании» перед Россией в очередной раз встала проблема технической независимости. Основой нормативной базы должны стать технические регламенты и разработанные для их развития различного рода стандарты. Опять мы пытаемся сначала разрушить, а затем создать что-то новое. При этом, видимо, не стоит отбрасывать нормативную базу, которая разрабатывалась многие десятилетия. Правда, сейчас происходит попытка модернизировать старые стандарты под требования Евросоюза и США для вступления в ВТО. Следовательно, важнейшей задачей является создание современных норм, которые включали бы в себя все позитивное, стимулирующие к

дальнейшему развитию науки и производства в области строительства. Нормативная база должна позволять выпуск только качественных материалов, изделий и конструкций. Более того, нормативный документ по конкретному вопросу должен быть единственным в той области строительства или материалов. Иллюстрацией того, чего не должно быть, служит наличие нескольких нормативных документов по строительной теплотехнике. Это вносит сумятицу при проектировании зданий. С одной стороны, для разработки такой базы нужны компетентные специалисты, которые пока еще есть. С другой — большой проблемой материаловедения в области промышленного, гражданского и специального строительства является человеческий фактор, консерватизм авторитетных ученых. Как показывает опыт, для преодоления данной проблемы требуется время.

Нормативные документы должны поставить законодательный заслон устаревшим материалам, бракоделам, людям, безответственно относящимся к соблюдению технологий. Должны быть определены те показатели качества, которые способствуют развитию науки и производства, а не тормозят прогресс. Надо создать условия, которые бы заставили научных работников разрабатывать, а предпринимателей — оплачивать разработку и освоение выпуска современных и прогрессивных материалов.

Примером современного подхода является предложение Президента России Д.А. Медведева о запрете выпуска ламп накаливания. Директивным путем в Москве и Петербурге запретили применять рубероид по примеру Европы и США.

В настоящее время большой народнохозяйственной проблемой в специальном строительстве является получение и производство облегченного и сверхлегкого там-понажного раствора. Оказалось, что очень трудно при соблюдении требований к раствору по растекаемости, однородности во времени, стабильности и прочности камня при изгибе, равной 1 МПа в возрасте 2 сут, приготовить цементный раствор со средней плотностью менее 1,2 г/см3. Поэтому надо запретить приготовление и применение облегченных тампонажных растворов со средней плотностью от 1,2 до 1,6 г/см3 из нестабильных по свойствам облегчающих наполнителей, а также аэрированных растворов, полученных при атмосферном давлении. Проблема качественного и надежного цементирования нефтяных и газовых скважин в условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД) была бы решена. А в условиях АНПД и многолетних мерзлых пород (ММП) средняя плотность тампонажного раствора должна быть меньше 0,8 г/см3 с соблюдением прочностных требований. Это полностью исключит аварии при цементировании, сократит до минимума начало эксплуатации и окупаемости скважин, повысит дебит скважин. Такие свойства могут быть достигнуты при применении полых стеклянных микросфер (ПСМС).

Более того, надо запретить цементировать приза-бойную зону скважин глубиной до 3000 м обычными цементными растворами, а также со вспученными пер-

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13

ноябрь 2010

литовым и вермикулитовым песками из-за катастрофического разрушения после перфорации этой зоны. Эту зону надо цементировать только тампонажным раствором с полыми стеклянными микросферами со средней плотностью 0,9-1,2 г/см3. После пулевой перфорации образцов-призм размерами 4x4x16 см их испытывали на растяжение при изгибе с получением полностью равновесных диаграмм деформирования. Прострел производился из автомата АК-74 (калибр пули 5,45 мм) одиночными выстрелами с расстояния 30 см. Тампо-нажный камень на чистом ПЦТ при В/Ц=0,5 и плотностью 1,83 г/см3 разлетался вдребезги. Тампонажные камни на вспученном перлитовом и вермикулитовом песке с плотностью 1,32 г/см3 имели значительные трещины и сколы, сразу после приложения минимальной нагрузки разрушились. Тампонажные камни с аппретированными полыми стеклянными микросферами (АПСМС) имели идеальные отверстия без трещин. Общий вид диаграммы представлен на рис. 1, а фотография микроструктуры — на рис. 2. На диаграмме видны два максимума, соответствующих двум состояниям структуры. Первый максимум соответствует пределу прочности камня на растяжение при изгибе. Площадь фигуры Gi — удельные энергозатраты на старт локальной трещины. Эта величина характеризует трещинос-тойкость камня [2].

После старта трещины материал начинает сопротивляться росту локальной трещины. Однако при достижении уплотненного кольца вокруг перфорационного канала энергозатраты на рост трещины возрастают. При этом кривая снова начинает идти вверх, образуя новый максимум. После его достижения продолжается пологое снижение кривой вплоть до разрушения образца. Трещиностойкость тампонажных камней с ПСМС после перфорации увеличилась почти в 1,5 раза, сопротивление росту локальной трещины и величина удельных

Р, кН

f, 10-3 м

Рис. 1. ПРДД тампонажного камня с АПСМС после перфорации

Рис. 2. Микроструктура после перфорации для тампонажного камня с 30% АПСМС

энергозатрат на деформирование и полное разрушение — практически в 2 раза [2]. Это происходит за счет существенного уплотнения структуры камня после прохождения пули (рис. 2). Прочность камня при изгибе и сжатии при этом увеличиваются.

Стенки нефтяной или газовой скважины следует цементировать сверхлегкими цементными тампонажны-ми растворами с полыми стеклянными микросферами. Улучшение прочностных и деформативных характеристик значительно повышает технико-эксплуатационную надежность системы обсадная труба — цементное кольцо — горная порода.

Крупные месторождения находятся в труднодоступных местах, чаще всего в зоне ММП. Проблема сохранения ММП и надежность скважин при эксплуатации имеет народнохозяйственное значение. На территории РФ более 50% грунтов относятся к ММП. Льдистость в них достигает 80%. Поэтому оттаивание таких пород может привести к обрушению конструкций нефтяных или газовых скважин за счет растепления [1].

Решение проблемы устойчивого роста добычи нефти и газа в большей мере зависит от качества тампонажно-го материала, то есть в том числе является материало-ведческой [1]. От этой решающей операции зависит эффективность и надежность скважин при эксплуатации. Основной задачей тампонажного материала, как известно, является обеспечение герметичности затруб-ного и межтрубного пространства и исключения межколонных проявлений и перетоков из пласта в пласт, снижающих продуктивное давление нефтегазоносных горизонтов и приводящих территории к экологическим катастрофам [1, 2, 3].

К тампонажному материалу одновременно предъявляются требования по растекаемости, однородности и плотности раствора, прочности на растяжение при изгибе (в России) и сжатии (в США и Европе) для камня. Существуют скважины, которые не удается зацементировать растворами на традиционных пористых наполнителях (вспученные перлитовый — ВПП и вермикули-товый — ВВП пески, фильтроперлит), поскольку под большим давлением в скважине происходит их разрушение. Раствор становится непрокачиваемым за счет резкого возрастания его средней плотности. Кроме того, они обладают огромной водопотребностью. Аэрированные цементные системы, полученные при атмосферном давлении, нестабильны, и их нельзя применять при глубинах более 450—500 м из-за резкого возрастания плотности под действием гидростатического давления.

При цементировании раствор проходит различные по несущей способности пласты, которые могут поглощать тампонажный раствор. Для многих нефтегазодобывающих регионов России и мира характерны АНПД, то есть низкая несущая способность пластов. Грязевые, минерализованные водяные пласты, плывуны, к примеру, имеют среднюю плотность немногим более 1 г/см3. Поэтому средняя плотность тампонажного раствора для них должна быть меньше 1 г/см3. С одной стороны, необходимо использовать наполнители, которые бы выдерживали высокое гидростатическое давление, имели бы необходимые растекаемость и прочность. С другой стороны, наполнители должны иметь низкую теплопроводность, чтобы защищать ММП от растепления [1].

Использование тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами решило бы двойную задачу: обеспечило герметичность затрубного и межтрубного пространства при имеющейся любой несущей способности горных пород и защищало бы ММП от растепления [1].

Радикальным решением проблемы, позволяющим значительно сократить затраты на цементирование скважин, является использование облегченного и сверхлег-

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

: ® ноябрь 2010 Т

кого тампонажного раствора с ПСМС [1, 3]. Такие растворы обладают низкой и стабильной (независимо от давления) средней плотностью, высокой однородностью, а также прочностью на растяжение при изгибе не менее 1 МПа и теплозащитными свойствами в затвердевшем состоянии. Благодаря применению ПСМС растворы становятся практически несжимаемыми, несмотря на малую плотность. Это позволяет закачивать их на любую глубину за один прием. Повышенная прочность и трещиностойкость камня исключает повторные изоляционные работы при перфорации колонны, а достаточно прочное сцепление обеспечит герметичность затруб-ного пространства. Тампонажные растворы, обладающие указанными свойствами, можно получить только из стабильных компонентов. Такой стабильностью обладают полые стеклянные микросферы и тампонажный портландцемент, серийно выпускаемые промышленностью России и других стран мира [1].

Следование политической конъюнктуре в науке почти всегда приводило к появлению людей, которые умело могли оперировать модными словами и притягивать их для объяснения результатов своих исследований. Чаще всего термины притягивались из точных наук, причем бездоказательно. В данный момент к ним относятся слова: инновация, инновационный, нано-технология, нанотехнологический. Последние особенно стали модными для цементных систем.

Известно, что в таких системах частицы самого цементного порошка, наполнителей, заполнителей и новообразований имеют размеры в микронах и больше. Но нанотехнологические процессы могут проявляться в поверхностных явлениях. Это может происходить при действии супер- и гиперпластификаторов в цементной системе, что направлено на существенное снижение количества воды затворения и улучшение за счет этого структуры и свойств материала. Поверхностные явления на наноуровне могут значительно повышать прочностные и деформативные показатели контактной зоны благодаря формированию более дисперсных новообразований с другими структурой и фазовым составом. Сейчас проф. Г.П. Сахаровым ведутся успешные и перспективные исследования по экструдиро-ванным бетонам. Интересные эффекты обнаружены после пропуска бетонной смеси через экструдер при ее укладке [4].

Сводить к нанотехнологиям только использование наполнителей с наноразмерными частицами, видимо, не совсем правильно. Поскольку известно, что более мелкие частицы обладают более значительными поверхностными силами и соответственно большей водо-потребностью при одинаковой подвижности смеси. Увеличение же количества воды затворения при таких условиях снижает все прочностные показатели, увеличивает усадку, ползучесть, ухудшает другие деформа-тивные свойства.

Таким образом, изучение поверхностных явлений на наноуровне, их влияния на структуру и свойства цементных и других материалов, активизация таких процессов являются одной из главных задач строительного материаловедения. Эти процессы можно использовать при модификации битумных материалов за счет применения атактических полимеров, при разработке новых лакокрасочных покрытий, создании пенетриру-ющих гидроизоляционных материалов на минеральной основе и др.

Важной проблемой строительного материаловедения является создание новых материалов путем моделирования их структуры, которые обладают требуемыми по условиям эксплуатации свойствами. То есть от требований к материалу зависит его разработка. Только стабильные компоненты состава позволяют планиро-

вать получаемые структуру и свойства. Особенно это важно в системах, где есть вяжущее вещество и наполнители. Так, например, К.В. Беляев со своими аспирантами в МГСУ проводит исследования по моделированию структуры цементных растворов с полыми стеклянными микросферами с необходимыми средней плотностью, прочностью и др. свойствами. Он расчетным путем получил требуемую толщину прослоек цементной матрицы между частицами наполнителя. Однако частицы цемента гораздо крупнее. Следовательно, под такой материал требуется разработка более мелкодисперсного цемента, чем есть в настоящее время, даже мельче микродура.

Пути развития науки и производства строительных материалов должны идти с учетом безопасности, надежности, технической, экологической и экономической сторон проблемы по двум направлениям.

Первый путь — исследования и производство высококачественных новых и модернизация уже хорошо зарекомендовавших себя материалов. Решение такой задачи видится в использовании при их производстве высококачественных, кондиционных, стабильных компонентов, в том числе и сырьевых. Такие материалы можно использовать для строительства ответственных, уникальных, повышенной опасности сооружений в жилищном, промышленном и специальном строительстве.

Второй путь — исследование и производство рядовых материалов с использованием техногенных отходов. Решение этой задачи позволит улучшить экологическую обстановку в России и мире.

Таким образом, проблемы нормативной базы, строительного материаловедения и производства строительных материалов взаимосвязаны. Успех здесь может быть достигнут только в комплексном их решении.

Ключевые слова: строительное материаловедение, нормативная база, производство строительных материалов.

Список литературы

1. Орешкин Д.В., Фролов А.А., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мерзлых пород. М.: Недра, 2004. 232 с.

2. Орешкин Д.В., Первушин Т.Н. Параметры деформирования и разрушения тампонажного камня с микросферами после пулевой перфорации // Вестник гражданских инженеров. СПГАСУ. 2009. № 4. С. 164-166.

3. Первушин Т.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещино-стойкости облегченных цементных материалов. Ижевск: ИжГТУ, 2003. 212 с.

4. Сахаров Т.П., Чан Минь Дык. Повышение свойств мелкозернистого бетона экструдированием смесей // Бетон и железобетон. 2009. № 1. С. 6-8.

ПОДПИСКА

и О О /IС Т о п и и и Ш О С О Г111.Г1 мм ли.ип ииили >_и_||_И1и

журнала «Строительные материалы»®

\

http://ejournaLrifsm.ru/

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13

"в ноябрь 2010