CC BY
41УДК 622.367.8: 691-492: 691-405.8
А.И. НИЖЕГОРОДОВ, д-р техн. наук (nastromo_irkutsk@mail.ru)
Иркутский национальный исследовательский государственный технический университет (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83)
Производство и применение полистирол-вермикулитовых строительных смесей
В статье рассматриваются вопросы производства, составов и применения полистирол-вермикулитовых строительных смесей (ПВС), получаемых смешиванием компонентов - зерен вспученного вермикулита и гранул вспененного полистирола. Приводятся физические свойства материала: насыпная плотность, теплопроводность, угол естественного откоса, внутреннее трение, плотность и теплопроводность в уплотненном - объемно-напряженном состоянии. Рассматривается процедура технологической усадки массивов ПВС в трехслойных стенах и критерий, обоснованный результатами экспериментов, обеспечивающий безусадочную эксплуатацию ПВС в течение всего срока службы. Приводятся составы полистирол-вермикулитобетона и его свойства, рассматриваются аспекты возможного применения конструкционно-теплоизоляционных бетонов на основе ПВС.
Ключевые слова: полистирол-вермикулитовая смесь (ПВС), вспученный вермикулит, вспененный полистирол, усадка массива ПВС, полистирол-вермикулитобетон.
A.I. NIZHEGORODOV, Doctor of Sciences (Engineering) (nastromo_irkutsk@mail.ru)
Irkutsk National Research State Technical University (83, Lermontov street, Irkutsk, 664074, Russian Federation)
The Production and Application of Polystyrene-Vermiculite Mixes
The article deals with the production, composition and application of polystyrene-vermiculite mixes obtained by mixing the components of the grains of blown-out vermiculite and prills of foamed polystyrene. The article presents the physical material properties such as packed density, thermal conductivity, slope of repose, internal friction, density and conductivity in a packed volume-intensive state. The technological shrinkage of solid masses PVM in a three-layer walls and criteria of reasonable results of experiments that provides unshrinkable operation of PVM for the whole service life period is considered. It provides the composition of polystyrene vermiculite concrete and its behavior. The aspects of the possible application of heat insulating concretes based on PVM are examined.
Keywords: polystyrene-vermiculite mix (PVM), blown-out vermiculite, foamed polystyrene, shrinkage of solid masses PVM, polystyrene vermiculite concrete.
Производство вспученного вермикулита в нашей стране имеет более чем пятидесятилетний опыт. Пройден большой путь от первых огневых печей, построенных еще в конце 50-х [1, 2], до электрических модульно-спусковых агрегатов и технологических комплексов для переработки вермикулитовых концентратов и конгломератов, появившихся в начале нынешнего века [3, 4].
Оборудование совершенствовалось, но применение вермикулита за малым исключением оставалось прежним. В строительстве — для засыпной теплоизоляции при утеплении трехслойных стен, чердачных и подвальных перекрытий, приготовления легких строительных растворов для выравнивающих стяжек полов и внутреннего оштукатуривания наружных стен, а также для огнезащиты строительных конструкций [5, 6].
В настоящее время применение вермикулита и изделий на его основе переместилось в основном в область
Рис. 1. Компоненты полистирол-вермикулитовых смесей: а - вспененный
малоэтажного строительства, но и эта ниша весьма обширна: сейчас на рынке больше ощущается дефицит сырья, а не отсутствие спроса на вспученный продукт.
Но вермикулит имеет ряд недостатков: сравнительно большая насыпная плотность (80—130 кг/м3) и, как следствие, не самая низкая теплопроводность (0,052— 0,061 Вт.м/оС); гигроскопичность в пределах 5—6% и относительно высокая стоимость. Сгладить указанные недостатки можно за счет применения полистирол-вермикулитовых смесей (ПВС).
На рис. 1 показаны компоненты ПВС: вспененный полистирол и вспученный вермикулит фракции 2—5 мм.
Теплоизоляционная полистирол-вермикулитовая смесь (марка ПВС-75) относится к группе неорганических материалов с содержанием компонентов минерального происхождения более 50% по массе (ГОСТ 16381—77. Материалы и изделия строительные
(фракция 2-5 мм); б - вспученный вермикулит (фракция 2-5 мм)
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2015
41
Уплотнить
^ 1 5 /3
дь, ш
ь
.'Л*! тт Ж: и
Фш / У >' / у/ / $ У-У у / у \ УУУУУУУ<У-УУ-У-УУУ\ У 'У 'У У У У У'У'У У'У'У У У Л УУУУУ'УУУУУУУУ'УЯ
-
Рис. 2. Трехслойная стена с элементами конструкции и схема уплотнения ПВС: 1 - несущий слой; 2 - облицовочный слой; 3 - перекрытие; 4 - гибкие связи (арматура); 5 - противопожарная рассечка; 6 - ПВС
теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования) и состоит из смеси гранул вспененного полистирола (40% по объему) и зерен вспученного вермикулита (60%) с размерами от 0,6 до 10 мм. При этом ТУ 5761-001-15003850-2004 «Смесь строительная теплоизоляционная полистирол-вермикулитовая. Технические условия» допускается присутствие зерен других размеров в пределах до 10%.
Для приготовления легких бетонных (растворных) смесей марки ПВС-100 (ТУ 5761-001-15003850-2004) применяются составы из гранул и зерен компонентов с размерами от 0,6 до 2,5 мм.
ПВС не является материалом, поддерживающим горение: при воздействии открытого огня полистирол плавится, массив смеси проседает, уменьшаясь в объеме, и на поверхности остается только вермикулит, защищающий смесь от огня и предотвращающий распространение пламени.
Для утепления ПВС применяется в качестве теплоизоляционной засыпки колодцевой кладки наружных стен, трехслойных стен, а также чердачных и подвальных перекрытий с последующим устройством цемент-но-песчаной стяжки прочностью не ниже 4,9 МПа. Находясь в замкнутом пространстве, полистирол-вермикулитовая смесь с пожарной точки зрения является безопасной.
Стены, утепленные ПВС, дышат, так как за счет межзерновых пустот даже уплотненный массив обладает высокой паропроницаемостью [6].
На рис. 2 схематично показана конструкция трехслойной стены с ее основными элементами.
Применение ПВС для приготовления бетонных смесей и дальнейшего формования, например, стеновых блоков делает конечное изделие негорючим, тогда как широко распространенные блоки на основе вспененного полистирола при плотности 600 кг/м3 и менее относятся к слабогорючим материалам с группой горючести Г1 (ГОСТ Р 51263-99. Полистиролбетон. Технические условия).
По результатам тестирования теплоизоляционной полистирол-вермикулитовой смеси, проведенного испы-
Таблица 1
Показатель Марка ПВС-75
Влажность, мас. % 1,1
Плотность в насыпном состоянии, кг/м3 51
Коэффициент теплопроводности при 25оС, Вт-м/°С 0,047
тательным центром ОАО «ИРКУТСКГИПРОДОРНИИ» (Иркутск), установлены следующие показатели, табл. 1.
Достоинства ПВС очевидны: смеси легче и «теплее», чем чистый вспученный вермикулит. Но есть еще не менее важное приемущество — стоимость 1 м3 вспененных гранул полистирола примерно в 2,5 раза дешевле того же объема вермикулита.
В настоящее время 1 м3 вспученного вермикулита стоит в среднем 3600 р., примерная стоимость второго компонента смеси составляет 1440 р. Средневзвешенная стоимость ПВС при соотношении компонентов по объему 40/60 будет равна: 1440.0,4 + 3600.0,6 = 2736 р./м3, что на 24% дешевле чистого вермикулита.
Это касается отпускных цен. В себестоимости производства ПВС процент удешевления несколько снизится из-за дополнительной технологической операции, но несущественно, так как технология дополняется лишь механическим перемешиванием компонентов в модернизированном гравитационном смесителе, схема которого показана на рис. 3.
Перед смешиванием оба материала предварительно обрабатывают: вермикулитовый концентрат обжигают в печах, полистирол обрабатывают паром в специальных вспенивателях.
Смеситель поднимают до вертикально-наклонного положения (рис. 3), откидывают конусную насаду, засыпают отмеренные порции компонентов и устанавливают конус на место. Затем в горизонтальном положении их перемешивают в течение 25-30 с. Несмотря на то что истинные плотности зерен вспученного вермикулита и гранул вспененного полистирола отличаются почти в три раза (в зависимости от качества вспенива-
Съемная Смеситель
42
научно-технический и производственный журнал
июль 2015
£, % 0 2,3 3,3 4,2 6,2 7,6 8,8
о, Н/м2 0 0,014 0,021 0,31 0,39 0,044 0,054
tgф 0,78 0,81 0,83 0,87 0,91 0,96 0,97
tg, ф 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7
Фракц ия ПВС 4-8 мм N О j / о
У
о >
• \
Ф \ акция ПВС 0,6 53-5 мм —
Рис. 4. Полистирол-вермикулитовая смесь
ния и вспучивания), приготовление ПВС — легкая и непродолжительная операция.
Всем известно, как полистирол при малейшем трении за счет статического электричества прилипает к рукам, одежде и любым предметам. Этот эффект при смешивании компонентов ПВС настолько усиливается, что полученная смесь ведет себя скорее не как сыпучий материал, а как неньютоновская жидкость. При наклоне поверхности смесь сначала удерживается на ней, а затем стекает, образуя массив, больше похожий на расплывшееся цементное тесто с небольшим холмиком, чем на конус сыпучего материала. При наложении даже слабой вибрации эффект текучести усиливается.
Готовую ПВС (рис. 4), высыпают в мерный бункер через лоток с плотной крышкой, служащей для устранения пыления.
Свойства слитности и текучести смеси обеспечивают возможность заполнения ею пустот и пазух в пространствах сложной формы. Кроме того, при высыпании расфасованная в мешки ПВС не распадается и не расслаивается, сохраняя однородный состав.
Но есть и недостаток. Слитность смеси, обеспечиваемая статическим электричеством и возникающая при смешивании компонентов, сохраняется недолго: в зависимости от крупности зерен и гранул от 6—8 дней (для крупных компонентов 5—10 мм), до двух-трех недель для более мелких (0,6—2,5 мм). Хранение свыше указанных сроков приводит к уменьшению слитности и при высыпании смеси ее компоненты расслаиваются. Вермикулит, более тяжелый компонент, тяготеет книзу, полистирол стремится остаться на поверхности.
Однако если в указанные сроки ПВС не использована, ее исходное свойство слитности можно восстановить повторным перемешиванием уже на строительной площадке в любом гравитационном смесителе.
Еще один вопрос, связанный с применением ПВС в качестве засыпной теплоизоляции, — это ее усадка с течением времени. Для исключения усадки смеси, находящейся в пространстве трехслойной стены, ее необходимо ввести в объемно-напряженное состояние, чтобы максимально увеличить внутреннее и внешнее трение.
Как известно, коэффициент внутреннего трения определяется тангенсом угла естественного откоса tgф.
Таблица 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 8, %
Рис. 5. Графики зависимости коэффициента внутреннего трения (/ = tgф) от относительной усадки массива ПВС различных фракций
Для его определения в объемно-напряженном состоянии были проведены соответствующие опыты. Небольшой массив ПВС (~ 0,008 м3) рассыпался на плоской поверхности, и на срезанную вершину холмика устанавливались нормированные грузы в виде плоских цилиндрических дисков. С одной стороны массива рассыпавшийся материал убирался лопаткой, чтобы образовался естественный откос, отходящий точно от края диска. До установки груза измерялась исходная высота массива h, после установки — его абсолютная усадка Дh и по формуле:
£ = (ДА/А). 100%
(1)
определялась относительная усадка £.
Напряжение в массиве материала о рассчитывалось по формуле:
о = F/s,
(2)
где F — сила тяжести грузов; 5 — площадь нижнего груза, находящегося в контакте с массивом.
Угол откоса, образовавшийся после очередного на-гружения массива, определялся соотношением:
ф = (А - ДА)/а,
(3)
где а — ширина откоса в нижней части.
В табл. 2 приведены результаты опытов для ПВС фракции 4—8 мм, а на рис. 5 — экспериментальные зависимости тангенса угла естественного откоса, равного коэффициенту внутреннего трения /, от относительной усадки массива ПВС различных фракций.
Для фракции 0,63—5 мм эффект увеличения внутреннего трения проявляется еще более значительно, хотя коэффициент внутреннего трения в ненапряженном состоянии у нее меньше.
Исследования показали, что коэффициент внутреннего трения ПВС в
Рис. 6. Уплотненная ПВС на основе ковдорского вермикулита. На заднем плане - уплотненный татарский вермикулит с противопожарной рассечкой
fj научно-технический и производственный журнал
® июль 2015 43
эми кул /
\ ■Ч / 3
>-
5 4 4+1,.
1,5+4 6, 4+2 '1+3 \1
8 7 П ВС
650 700 750 800 850 900 950 1000 У.кг/м3
Рис. 7. Зависимость прочности от плотности образцов из вермикулито-бетона и ПВС-бетона: 3-8 - объемные доли вермикулита; 3+1-1,5+4 -объемные доли вермикулита и полистирола
объемно-напряженном состоянии достигает значения, близкого к единице, поэтому силы трения, удерживающие ее в стене, практически равны ее весу. Но для разных фракций материала такой баланс достигается при различной степени уплотнения.
Для ПВС с крупными зернами и гранулами достаточной является технологическая усадка в 9—10 %. При относительно малых размерах компонентов — чуть больше 10-12%.
Технология уплотнения ПВС, как и чистого вермикулита, очень проста (рис. 2). Типовая трехслойная стена образована несущим и облицовочным слоями, соединенными гибкими связями (кладочной сеткой, металлическими или стеклопластиковыми стержнями, размещенными в кладочных швах через 5-8 рядов кирпича, с шагом 150-250 мм. В местах установки перекрытий выполнены поэтажные противопожарные рассечки, а внутреннее пространство заполнено ПВС.
Противопожарные рассечки выполняют толщиной 35-40 мм из легкого бетона на основе ПВС-100 путем омоноличивания связей.
ПВС засыпают слоями высотой Н = 300-400 мм и уплотняют, осаживая на величину АН (7-10%) до уровня к. Материал вводится в объемно-напряженное состояние. Так как зерна и гранулы компонентов обладают упругостью, массив распирается давлением и за счет внутреннего трения удерживается в пространстве стены. При этом утепление лучше выполнять по мере возведения стены.
Так достигается безусадочность массивов теплоизоляционных вермикулитовых и полистирол-вермикулитовых засыпок в течение всего срока службы [6].
В табл. 3 приведены характеристики уплотненной ПВС. Очевидно, что для получения 1 м3 уплотненного в стене материала следует израсходовать исходной смеси примерно на 10% больше.
На рис. 6 показана ПВС, уплотненная в колодцевой кладке, приготовленная на основе ковдорского вермикулита. На заднем плане - уплотненная засыпка из чистого вермикулита, полученного обжигом концентрата Татарского месторождения.
Опыты, рассмотренные выше, и уплотнение массивов вермикулита и ПВС в экспериментальном фрагменте стены были проведены еще в 2006 г. Прошло уже более восьми лет, а экспериментальная засыпка не дала усадки, хотя за эти годы в Иркутске было несколько четырех- и пятибальных землетрясений, а цех ООО «Квалитет», в котором расположен фрагмент стены, подвергается постоянной транспортной вибрации,
Таблица 3
Плотность в уплотненном состоянии, кг/м3 Коэффициент теплопроводности в объемно-напряженном состоянии, Вт/(м-°С) Расход материала на 1 м3 пространства в стене
~ 56-60 0,051-0,052 1,1
Таблица 4
Цемент Зола-уноса Вермикулит Вспененный полистирол Прочность при сжатии, Н/м2 Средняя плотность, кг/м3
1 2 3 1 4,2 1063
1 2 4 1 3,5 971
2 1 3 2 3,3 901
1 2 1 3 2,8 862
1 2 4 2 2,6 842
1 2 1,5 4 2,3 742
так как находится в непосредственной близости к оживленной транспортной магистрали.
Однако собственные частоты вермикулитовых зерен и полистирольных гранул, обладающих высокой упругостью и очень малой массой, на несколько порядков превышают самые высокие гармоники спектра транспортных и сейсмических возмущений [7], поэтому возникновение резонансных явлений в технологически уплотненных массивах и их усадка невозможны.
Смесь ПВС-100 предназначена для приготовления легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов и может применяться для заполнения трехслойных стен, замоноличивания пустот и пазух в различных строительных конструкциях, для утепления плоской кровли и т. п. [6].
Для приготовления легких бетонных (растворных) смесей применяются составы из гранул и зерен компонентов с размерами от 0,6 до 2,5 мм. В композиции таких смесей на основе ПВС дополнительно входят следующие материалы: портландцемент М400 и мелкодисперсные пластифицирующие добавки, например зола-уноса тепловых электростанций [8].
Для подбора составов было проведено несколько серий опытов, результаты которых сведены в табл. 4 (компоненты смесей приведены в объемных долях), а на рис. 7 показаны зависимости прочности от плотности образцов вермикулитобетона и бетона на основе ПВС.
Испытания образцов проводились в лаборатории «Стройконтроль» завода ЖБИ Строительно-монтажного треста № 14 Восточно-Сибирской железной дороги.
Применение золы-уноса вместо песка в вермикули-тобетонных композициях позволяет при тех же прочностных показателях получать значительно более легкие бетоны. Средняя плотность уменьшается на 100-150 кг/м3, снижаются нагрузки на строительные конструкции, а теплотехнические свойства материала (теплопроводность, теплоотдача) улучшаются. Кроме того, золы существенно дешевле.
Данные графиков показывают, что для получения легковесных бетонов со средней плотностью ниже 800 кг/м3 (а это как раз зона конструкционно-теплоизоляционных бетонов) целесообразно отказаться от чистого вермику-литового наполнителя и применять полистирол-вермикулитовые смеси, так как при той же плотности, они обладают более высокой прочностью при сжатии.
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
44 июль 2015 Ы ®
Для изделий из легких конструкционных бетонов плотностью 800—1200 кг/м3 наилучшим наполнителем остается вспученный вермикулит. 1.
Список литературы 2.
1. Попов Н.А. Производство и применение вермикулита. М.: Стройиздат, 1964. 128 с. 3.
2. Подоляк Ф.С. Сравнительная эффективность печей для обжига вермикулита // Строительные материалы. 1973. № 7. С. 9-11.
3. Нижегородов А.И. Технологии и оборудование для переработки вермикулита: оптимальное фракционирование, электрический обжиг, дообогащение. 4. Иркутск: ИрГТУ, 2011. 172 с.
4. Нижегородов А.И. Опыт эксплуатации технологического оборудования и комплексов для переработки вермикулитовых концентратов и конгломератов // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9. 5. С. 14-21.
5. Подоляк Ф.С. Вермикулит в строительстве: обзор. 6. М.: Стройиздат, 1966. 87 с.
6. Нижегородов А.И. Вермикулит и вермикулитовые технологии: исследования, производство, применение. Иркутск: БизнесСтрой, 2008. 96 с. 7.
7. Емельянов С.Г., Немчинов Ю.И., Марьенков Н.Г., Колчунов В.И., Яковенко И.А. Особенности расчета сейсмостойкости крупнопанельных зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2013.
№ 12. С. 64-70. 8.
8. Хозин В.Г., Хохряков О.В., Битуев А.В., Урхано-ва Л.А. Эффективность применения золы-уноса Гусиноозерской ГРЭС в составе цементов низкой водопотребности // Строительные материалы. 2011. № 7. С. 76-78.
References
Popov N.A. Proizvodstvo I piimenenye veimikulita [Production and use ofvermiculite]. Moscow: Stroyizdat. 1964. 128 p. Podoliak F. Comparative Efficiency of Kilns for Vermiculite. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1973. No. 7, pp. 9-11. (In Russian). Nizhegorodov A.I. Tekhnologiya i oborudovaniye dlya pererabotki vermikulita: optimalnoye fraktsionirovaniye, elektricheskii obzhig, do'obogashcheniye [Technologies and equipment for the vermiculite to be processed: optimum fractioning, electrical burning, vermiculite dressing to the necessary concentration]. Irkutsk: IrGTU. 2011. 172 p. Nizhegorodov A.I. The Field Experience of Process Equipment and Systems for the Processing ofVermiculite Concentrates and Conglomerates. Ogneupory i tekh-nicheskaya keramika. 2014. No. 9, pp. 62-64. (In Russian).
Podoliak F.S. Vermiculite in Building: survey by F. Podoliak. Moscow: Stroyizdat.1966. 87 p. Nizhegorodov A.I. Vermikulit i vermikulitovye tekhnolo-gii: issledovaniya, proizvodstvo, primenenie [Vermiculite and Vermiculite Methods: Research, Production, Application] Irkutsk: Biznes Stroy Publishing. 2008. 96 p. Emelyanov S.G., Nemchinov Y.I., Mar'enkov N.G., Kolchunov V.I., Yakovenko I.A. Features of Calculation of Seismic Stability of Large-Panel Buildings. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 12, pp. 64-70. (In Russian).
Khozin V.G., Khokhryakov O.V., Bituev A.V., Urgkha-nova L.A. Efficiency of Application of Fly Ash of Gusinoozerskaya SDPP (State District Power Plant) in the Concrete Mix of Low Water Requirements. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 7, pp. 76-78. (In Russian).
Cj научно-технический и производственный журнал
®
июль 2015 45
