CC BY
14УДК 691
Е.Е. ШАМИС, доктор-инженер, Технический университет Молдовы (Кишинев); М.И. ХОЛДАЕВА, канд. техн. наук, Одесская государственная академия строительства и архитектуры; В.Д. ИВАНОВ, д-р техн. наук, П.Ф. КОЛТУК, В.А. ЮРКОВ, инженеры, Технический университет Молдовы (Кишинев)
Резервы инновационного развития гипсовой подотрасли
промышленности строительных материалов
Известные плюсы и минусы свойств гипсовых изделий устойчиво определили на сегодня сферы их рационального применения в строительстве.
Что касается технологии изготовления таких изделий, то и здесь прекрасное качество быстрого схватывания и твердения затмевает недостатки, которые со временем становятся более ощутимыми. К ним следует отнести непомерно большой расход воды для обеспечения удобоукладываемости гипсовой смеси (практически в 3,5 раза выше, чем необходимо для его нормальной гидратации). Это технологическое противоречие сказывается и в дальнейшем, так как излишнюю воду приходится удалять, что вызывает или значительный расход тепловой энергии, или необходимость увеличения производственных площадей для естественной сушки. И то и другое требует немалых затрат. В экологическом отношении также никаких послаблений в снижении потребления водных и энергетических ресурсов не ожидается, но уже в настоящее время они относятся к дефицитным и дорогостоящим.
В комплексе мер по ресурсосбережению снижение энергозатрат должно достигаться не только в производстве, но и в эксплуатации, т. е. сами гипсовые изделия должны быть трансформированы к решению задач по повышению энергоэффективности строительных объектов. В этом плане представляется интересной разработка технологии гипсополистиролбетона — композиционного материала на основе гипса и вспученного полистирола, выполненная в ОГАСА [1, 2, 3]. Применение в качестве легкого заполнителя гранул вспененного полистирола позволяет снизить среднюю плотность материала, улучшить его теплозащитные и звукоизоляционные свойства, экономить вяжущее.
В отличие от технологии с использованием минеральных заполнителей дозировка пенополистирола (ППС) задается не по массе, а по объему. Таким образом, можно точно установить объем пор и благодаря этому плотность гипсополистиролбетона. Влияние рецептурно-техноло-гических факторов на физико-механические характеристики таких сложных многокомпонентных систем, как легкие бетоны с пенополистирольным заполнителем, можно наиболее продуктивно исследовать методами экспериментально-статистического моделирования на основе планирования экспериментов, что и было выполнено в работе.
Одновременно изучалась возможность использования в качестве легкого заполнителя вспученного вермикулита. Вермикулит обладает рядом положительных качеств — низкой теплопроводностью, высокой огнестой-
костью и хорошим звукопоглощением. Это обусловливает эффективность применения вермикулита. Поскольку и полистирол, и вермикулит имеют хорошие технические свойства, в настоящем исследовании была поставлена задача системного выбора одного из них в качестве заполнителя для гипсобетона.
Результаты испытаний показали, что введение полистирола в гипсовую смесь с объемным содержанием его до 80% позволяет снизить коэффициент теплопроводности на 15%: Х=0,184 Вт/(м.К) по сравнению с использованием вермикулита с таким же объемным содержанием: Х=0,212 Вт/(м.К). Кроме того, средняя плотность материала с использованием вермикулита больше на 16% (р=789 кг/м3) по сравнению с образцами, в которых в качестве заполнителя использовался пенополи-стирол (р=667 кг/м3). При этом прочность при сжатии обоих видов бетонов одинакова: Кж = 3,4МПа. Отсюда можно сделать вывод: ППС в качестве заполнителя для теплоизоляционного гипсобетона более эффективен, чем вермикулит.
Основной технологической проблемой при использовании полистиролбетона является расслаивание смеси. Эта задача обычно решается введением в состав смеси кремнеземистого наполнителя малой плотности — микросферы (МКС). Этим можно существенно снизить среднюю плотность, но повысить прочность полистиролбетона. При замене вяжущего кремнеземистым наполнителем в количестве 5—10% по объему прочность гипсополистиролбетона возрастает на 20—22% по сравнению с контрольными образцами без кремнеземистого наполнителя [1]. При дальнейшем увеличении содержания наполнителя прочность полистиролбетона падает.
Естественно, возникает вопрос о совместимости по-листирольных гранул и гипса во времени, ибо такие гранулы явно менее долговечны, чем гипс. Однако с технологических позиций предложение можно рассматривать как метод образования замкнутых пустот в материале, что, несомненно, имеет право на существование.
Одним из важнейших направлений расширения области распространения гипсовых материалов в строительстве являются технологии изделий из ВГВ (водостойких гипсовых вяжущих) — гипсоцементно-пуццолановое (ГЦПВ) и композитное гипсовое вяжущие (КГВ) [4, 5, 6]. ГЦПВ, разработанное в 50-х гг. А.В. Волженским и его сотрудниками, стало основой для значительного расширения области использования гипсовых вяжущих в строительной отрасли экономики. Фактически это был инновационный прорыв в гипсовых технологиях.
Рис. 1. Распалубка формы, выполненная менее чем через час после заливки
Особенно удачным оказалось их применение в индустриальном домостроении, в частности для изготовления объемных блоков санузлов и инженерных коммуникаций. Впервые опытно-промышленное производство этих изделий было организовано в 1961 г. на Кишиневском заводе ЖБИ-1 [4, 7]. И в наше время такие блоки серийно выпускают в Москве для массового строительства в мегаполисе, а также в других регионах страны.
На основе опыта разработки объемных блоков санузлов на ГЦПВ возникло предложение о распространении его на производство блоков больших размеров. Такие элементы можно было бы успешно использовать в индустриальном строительстве малоэтажных и многоэтажных каркасных зданий [8].
Дело в том, что в наиболее перспективном направлении индустриального домостроения из объемных блоков в качестве основного материала применялся медленно твердеющий портландцементный бетон. Как ни пытались ускорить процесс, но на практике оборот громоздких тяжелых форм блоков составлял не более одного в сутки. Чем больше навешивали на этих монстров всевозможных агрегатов с целью увеличения оборачиваемости формовочных машин, тем затратнее становилось производство.
В начале 1970-х гг. в Киеве (НИИСК Госстроя СССР) с участием ряда организаций были изготовлены объемные блок-комнаты (рис. 1) размерами в плане 3x6 м из керамзитобетона на ГЦПВ с прочностью при сжатии 3,5 МПа. Испытания объемных блоков на прочность (рис. 2) — они выдержали 100 т при сжатии по контуру блока — огнестойкость, транспортабельность прошли успешно. В конце 1980-х гг. руководство Молдавии решило подготовить и начать серийное производство подобных объемных блоков в республике. К сожалению, из-за начавшихся социально-экономических преобразований этот замысел не был тогда реализован.
Существующие дома ветшают, так что приходится строить, причем не только эксклюзивные коттеджи, а нормальные добротные дома различной этажности. По мнению авторов, придется вернуться к индустриальным методам, конечно, на современной основе, и, несомненно, с использованием ВГВ [8, 9].
Серьезным резервом инновационного развития гипсовой суботрасли могут стать методы активации строительных смесей на ВГВ. С 1990-х гг. нами проводились такие разработки на ГЦПВ, а затем и на других минеральных вяжущих.
Рис. 2. Блок на испытательном стенде
В качестве основного направления отрабатывалась идея активации смесей на основе управляемой кавитации в технологическом процессе производства изделий на ГЦПВ. Унифицированный технологический модуль первого поколения (УТМ-1) разработан и испытан в конце 1990-х гг. в составе опытно-промышленной технологической линии в Москве (рис. 3) [9]. Результаты положительные. Например, прочность при сжатии материала на ГЦПВ превысила на 70% марочную прочность самого вяжущего - 100 МПа.
Как известно, источником всех полей, которые наблюдаются в природе, являются их единичные носители — элементарные частицы. У них есть не только независимое свойство, но и электрический заряд. Этим зарядам соответствует порождаемое ими электромагнитное поле, которое действует только на них. Масса порождает свое поле — гравитационное. Есть и третий независимый параметр — спин (квантовый аналог углового момента вращения), который порождает свое поле, называемое торсионным. Торсионное поле является самостоятельным, и его наличие определяется только вращением и не зависит ни от массы, ни от заряда. Это самостоятельный физический фактор в природе.
Воздействие торсионными излучениями на воду и компоненты бетона приводит к тому, что жидкость проявляет себя как спиновая система, которая становится упорядоченной, т. е. происходит спиновая поляризация, а это вызывает увеличение плотности и пластичности материалов.
Понятие «кавитация» как термин было принято в конце XIX в. Название произошло от латинского cavitas — замкнутая полость. В потоке жидкости вокруг вращающихся деталей образуются микропузырьки — каверны, оседающие на их плоскостях. При достижении определенной скорости потока они схлопываются. В схлопывающемся пузырьке давление превышает 1000 атм при одновременном значительном повышении температуры. Стальная поверхность агрегатов после этого напоминает кожу человека, переболевшего оспой. Ядрами кавитации — зародышами пузырьков могут быть твердые частицы, газовые микропузырьки. Твердыми частицами становятся слипающиеся элементы гидратированного вяжущего. Кавитация такого рода становится полезным явлением, полностью используя все свойства применяемого вяжущего, а это уменьшает его общий расход и резко увеличивает проч-
14
июнь 2011
Рис. 3. Технологическая линия по производству гипсовых стеновых материалов с модулем УТМ-1 (Москва, 90-е гг.): 1 - смеситель-активатор; 2 - самоходный бетоноукладчик; 3 - формы
Рис. 4. Унифицированный технологический модуль УТМ-2 (Кишинев, 2010 г.): 1 - ворошитель сухих компонентов в расходных бункерах; 2 -бункеры для заполнителей; 3 - бункер вяжущего; 4 - смеситель-активатор вяжущего и воды; 5 - смеситель активированного заполнителя с водовяжущей смесью
ностные показатели. Управляя способностью разрушать материал в зоне кавитации — ее агрессивностью — путем регулирования режимов перемешивания компонентов, удалось получить ожидаемые положительные результаты.
Технологические процессы в этом производстве протекают на молекулярном уровне.
В настоящее время разработан и испытывается модуль второго поколения УТМ-2 (рис. 4). Он рассчитан на работу с любыми видами минеральных вяжущих и их композиций, в том числе с гипсовыми. В его конструкции предусмотрены агрегаты управляемой кавитации и торсионного излучения для активации гипсобетонной смеси.
Мелкие заполнители активируют предварительно путем измельчения 25—65% их до удельной поверхности 2500—3500 см2/г, а водная смесь вяжущего изготавливается отдельно непосредственно в модуле. Затем в едином непрерывном технологическом процессе производится их смешивание. Годовая производственная мощность такой машины с одним смесительным агрегатом составляет 30 тыс. м3 строительной смеси, что подтверждено на практике, как и рост прочностных показателей материалов (подобно данным по УТМ-1). Уже первые результаты подтвердили правильность расчетов и перспективность направления. В частности, работая с портландцементом марки 400 и гранулированным доменным шлаком, получен материал с прочностью при сжатии 50 МПа при средней плотности 1950 кг/м, т. е. выше марочной плотности цемента. Испытания УТМ-2 продолжаются в плановом порядке.
Полагаем, что реализуемый сейчас метод активации физическими методами формовочных смесей, включая гипсовые, может стать основой для инновационного развития производства гипсовых материалов и изделий.
Резюмируя изложенное, можно выделить следующие основные направления инновационного развития гипсовой подотрасли промстройматериалов:
— использование легких заполнителей в составе формовочных смесей по изложенной методике;
— применение ВГВ в смесях для изготовления индустриальных объемно-блочных строительных изделий для зданий массовой застройки, прежде всего социального жилья;
— активация формовочных смесей с использованием физических методов — торсионных излучений и управляемой кавитации.
Список литературы
1. Керш В.Я., Холдаева М.И. Совершенствование структуры и теплозащитных свойств полистиролбетона / Международный сб. научных трудов «Прогрессивные материалы и технологии в современном строительстве». Новосибирск: 2007-2008. С.177—179.
2. КершВ.Я., ХолдаеваМ.И., Штець А.В. Математическое моделирование и оптимизация свойств легких бетонов с полистирольным заполнителем // Бущвельш матерiали, вироби та санггарна техшка. — ТОВ «Знання» Украши. 2010. № 36. С. 17-21.
3. Керш В.Я., Холдаева М.И., Штець А.В. Структура и свойства бетонов на сверхлегких заполнителях // Вюник ОДАБА. Одеса: «Мюто майстрiв», 2009. Вип. № 35. С. 176-181.
4. Волженский А.В., Роговой М.И., Стамбулко В.И. Гипсоцементные и гипсошлаковые вяжущие и изделия. М.: Госстройиздат, 1960. 168 с.
5. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия. М.: Стройиздат, 1971. 318 с.
6. Волженский А.В., Ферронская А.В. Гипсовые вяжущие и изделия (технология, свойства, применение). М.: Стройиздат, 1974. 328 с.
7. Шамис Е.Е. Объемные элементы на основе гипсо-цементно-пуццолановых вяжущих // Строительные материалы. 1964. №5. С. 34-35.
8. Шамис Е.Е. Объемно-блочное домостроение с применением быстротвердеющих материалов. Кишинев: Картя Молдовеняскэ. 1971. 107 с.
9. Шамис Е.Е. Строительство XXI - инновационные идеи совершенствования индустриальных методов. Кишинев: Tehnica-Info, 2010. 262 с.
