CC BY
8УДК 666.965:541.182:661
В.А. ВОЙТОВИЧ, канд. техн. наук, И.Н. ХРЯПЧЕНКОВА, канд техн. наук (irina-xr@mail.ru)
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65)
Роль нанотехнологий в повышении качества и долговечности кирпичной кладки
Рассматривается проблема повышения вибро- и сейсмостойкости кирпичных кладок с использованием методов нанотехнологий. Предложено применять не требующие значительных капитальных затрат способы. Показана эффективность использования самоуплотняющихся цементных смесей, полученных с помощью гиперпластификаторов - поликарбоксилатов, молекулы которых являются наночастицами. Эффективно применение золь-гель технологии при приготовлении кладочных растворов - модифицирование цементно-поливинилацетатных строительных растворов эфирами ортокремниевой кислоты. Предложен способ защиты силикатного кирпича от деструкции во время пожара с помощью интумесцентных красок, в составе которых есть фуллереноподобные наночастицы - фуллероиды. Введение в цементные смеси базальтовой микрофибры в виде волокон с зафиксированным на них наномодификатором эффективно сказывается на прочности кладочных растворов.
Ключевые слова: нанотехнологии, кирпичные кладки, силикатный кирпич, золь-гель технология.
V.A. VOYTOVICH, Candidate of Sciences (Engineering), I.N. KHRYAPCHENKOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (irina-xr@mail.ru) Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (65 Ilyinskaya Street, 603950 Nizhny Novgorod, Russian Federation)
The Role of Nano-Technologies in Improving the Quality and Durability of Brick Masonry
An issue of improving the vibro- and earthquake resistance of brick masonries with the use of nano-technologies is considered. It is proposed to use methods which don't require significant capital expenditures. The efficiency of using self-compacting cement mixes obtained with the help of superplasticizers - polycarboxylates, molecules of which are nano-parti-cles, is shown. The use of the sol-gel method when preparing brickwork mortars, modification of cement polyvinyl acetate mortars with esters of orthosilicic acid is very effective. A method for protection of silicate brick against destruction during the fire with the help of intumescent paints, which contain fullerene-like nano-particles - fulleroids, is proposed. Introduction of basalt microfiber in the form of fibers with a nano-modifier fixed on them in cement mixes efficiently affects the strength of masonry mortar.
Keywords: nano-technology, brick masonry, silicate brick, sol-gel technology.
В настоящее время значительный объем строящихся объектов выполняется с использованием мелкоштучных каменных материалов. Для возведения каменных и армокаменных конструкций применяют искусственные и природные каменные материалы в виде кирпича, камней, мелких и крупных блоков, панелей, а также облицовочные и теплоизоляционные материалы, строительный раствор, бетон и арматуру. Наиболее часто в России используются каменные материалы в виде кирпича. Постоянно возрастающие требования к надежности и долговечности строительных сооружений определяют актуальность вопроса повышения качественного уровня каменной кладки, которая является неоднородным телом, состоящим из камней и швов, заполненных раствором. Специфические условия работы кладки приводят к тому, что даже при сжатии усилие передается неравномерно вследствие местных неровностей и неодинаковой плотности отдельных участков затвердевшего раствора. В результате кладка подвергается не только сжатию, но также растяжению и срезу. Прочность кладки при растяжении и срезе зависит главным образом от сцепления раствора с камнем, на величину которого влияют вид и состав раствора, его прочность и усадка, скорость поглощения камнем воды, чистота поверхности камня, условия твердения раствора в кладке и др. Поэтому при проведении расчетов современные нормативные документы, например пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций к СНиП 11-22—81, включают показатели прочности кирпича при испытании на сжатие и продольный изгиб, а для растворной составляющей кладки — прочность при сжатии, адгезионную прочность к кирпичу при отрыве, подвижность и водо-удерживающую способность. Однако даже в зданиях, эксплуатируемых в нормальных условиях, проявляются факторы, не учитываемые в данных документах, но влияющие на качественные показатели и надежность кладки.
Процессы современной урбанизации существенно влияют на условия работы каменных конструкций зданий и сооружений. До сих пор специалистами не учитываются многие виды воздействий на эксплуатируемые объекты. Одно из них — колебания оснований зданий, порождаемые не только природными землетрясениями, но и техногенными причинами, например движением тяжелых транспортных средств, работой сваебойных механизмов и др. Эти колебания медленно, но верно нарушают адгезионную связь в паре кирпич — кладочный раствор, что ускоряет разрушение каменных конструкций. Необходимо отметить, что частота возникновения колебаний и их интенсивность по мере насыщения города техникой возрастают.
Влияние техногенных факторов постоянно возрастает: даже землетрясения теперь становятся рукотворными. Как показали современные исследования, крупные водохранилища создают на территориях, прилегающих к ним, зоны повышенной сейсмичности, которые могут простираться на многокилометровые расстояния. Предположительно из-за московских морей на территории столицы произошло уже несколько землетрясений интенсивностью до четырех баллов. Горьковское море, возможно, стало причиной землетрясения силой в три балла в Нижнем Новгороде. По утверждению специалистов, сейсмичность территорий Москвы и Санкт-Петербурга непрерывно возрастает. Крупнейшее землетрясение, как предполагается, также техногенного характера произошло в Кузбассе летом 2013 г.
В зарубежной строительной практике меры по повышению сейсмостойкости кирпичной кладки разрабатываются уже давно. Так, за рубежом ограничивают применение силикатного кирпича с гладкой поверхностью, предлагая взамен кирпич с рифленой поверхностью или с наличием пазов и пустот, в которых можно сформировать растворный сердечник, а также создать шпоночное соединение в контактной зоне кирпича с раствором [1].
Silicate building materials
В настоящее время для повышения вибро- и сейсмостойкости кирпичной кладки следовало бы использовать три простых способа, не требующих значительных капитальных затрат. Один из них — смачивание кирпича водными дисперсиями полимеров, размер частиц (глобул) в которых лежит в наноразмерном диапазоне. К числу таких дисперсий относятся производимые ныне в России поливинилацетатные, акрилатсти-рольные и др. Глобулы полимера из таких дисперсий проникают в тончайшие капилляры и трещины, идущие от поверхности кирпича, склеивая их. Тем самым в заметной степени снижается возможность развития этих трещин в течение вибро- и сейсмовоздействия на кладку. Наряду с этим дисперсия, высыхая на поверхности кирпича, образует полимерную пленку, которая служит грунтом для кладочного раствора. Этот грунт обеспечивает более высокую адгезионную прочность соединения между кладочным раствором и кирпичом и в заметной степени демпфирует горизонтальные напряжения, возникающие при вибро- и сейсмовоздей-ствиях на кладку за счет снижения модуля упругости зоны контакта. Грунтование кирпича могло бы помочь и в устранении проблемы появления высолов, которая сейчас решается в основном за счет использования ги-дрофобизаторов [2].
Вторым, более эффективным, но несколько более затратным способом является использование цементно-полимерных композиций — рационально составленных смесей, в которых наряду с традиционными компонентами (цементом, известью, песком) содержится полимер, распределенный в этой смеси либо в виде тонких пленок, пронизывающих минеральную матрицу, либо в виде мелких глобул, равномерно распределенных в кладочном растворе [3]. В том и в другом случае полимерный компонент повышает вибросейсмостойкость кладки, адгезионную прочность на границе «раствор — кирпич».
В настоящее время появились рекомендации использовать в качестве кладочных растворов сухие строительные смеси (ССС), которые наряду с цементом и песком содержат полимеры, введенные в виде порошков. Именно полимерные компоненты, суммарное количество которых должно составлять не менее 6 мас. % по отношению к цементу, сделали ССС столь востребованными строительными материалами. Можно априори утверждать, что любая ССС лучше традиционных кладочных растворов с точки зрения вибро- и сейсмостойкости, но наиболее пригодными являются их разновидности, называемые плиточными клеями. К настоящему времени в России появились ССС, в основном импортные, предназначенные специально для склеивания кирпича.
Полимерными компонентами в плиточных клеях чаще всего являются водорастворимые эфиры целлюлозы, эфиры крахмала и редиспергируемый порошок, получаемый распылительной сушкой сополимерной по-ливинилацетатной дисперсии. Такие полимеры эффективны и при введении в кладочные растворы. К сожалению, все упомянутые полимеры являются для России веществами импортными и дорогостоящими. Предпринимаемые в России попытки наладить производство отечественных аналогов этих полимеров пока остаются безуспешными.
В данной ситуации представляется целесообразным обратить внимание на материалы, которые в бывшем СССР успешно применялись в качестве плиточных клеев. Это цементно-поливинилацетатные строительные растворы (ЦПВА), представляющие собой рационально составленные композиции, содержащие портландцемент, кварцевый песок и дисперсию поливинилацетат-ную гомополимерную грубодисперсную пластифици-
рованную (ПВАД). Такое название она имеет в соответствии с ГОСТ 18992—80 «Дисперсия поливинилацетат-ная гомополимерная грубодисперсная. Технические условия». В свое время ПВАД для цементно-полимерных растворов применять почти перестали. Основная причина этого — подверженность полимера поливинилаце-тата щелочному гидролизу в цементных смесях на основе портландцемента.
Исследования показали, что ЦПВА во многих ситуациях могут с успехом заменять ССС. Эффективность применения этого материала повышается, если ПВАД предварительно модифицировать тетраэтоксиланом или этилсиликатом-32, которые представляют собой полные этиловые эфиры ортокремниевой кислоты. Тетраэтоксилан и этилсиликат-32 под действием воды и извести, образующихся при гидратации цемента, подвергаются гидролитической поликонденсации с образованием наночастиц диоксида кремния, которые упрочняют кладочный раствор. Следует заметить, что щелочной гидролиз поливинилацетата в присутствии тетраэтоксилана или этилсиликата-32 практически сводится к нулю.
Фактически модифицирование ПВАД указанными выше эфирами ортокремниевой кислоты представляет собой золь-гель технологию — один из наиболее эффективных способов получения наночастиц.
Третьим способом повышения сейсмо- и вибростойкости кладочных растворов является использование самоуплотняющихся цементных смесей. Такие смеси самопроизвольно растекаются по поверхности кирпича, сохраняя высокую подвижность в течение заданного времени. Это позволяет снизить отрицательное влияние неполноты контакта между кирпичом и раствором на адгезионную прочность между ними. Устраняется при этом и человеческий фактор (низкая квалификация каменщика, нарушение технологии работ путем введения воды для разжижения раствора и др.). Создание самоуплотняющихся цементных смесей стало возможным благодаря появлению нового вида суперпластификаторов — поликарбоксилатов. Свое действие поликарбокси-латы проявляют на уровне наночастиц [4]. До недавнего времени поликарбоксилатов российского производства не было. Сейчас производятся первые их отечественные представители — «Гиперлит», «Полипласт СП СУБ», «Хидетал ГП-9» и др.
Актуальной проблемой все чаще становится обеспечение устойчивости и соответственно надежности кирпичной кладки во время пожаров, частота и интенсивность которых в последние годы возрастают. Исследования С.В. Федосова и его коллег [5] по изучению влияния пожаров на прочность силикатного кирпича показали, что структурные изменения в силикате кальция начинаются уже при температуре 420оС и приводят к снижению прочности.
Наряду с разрушением кирпича при нагревании происходит и деструкция кладочного раствора. Как известно, уже при достижении температуры 250оС начинается дегидратация минералов, образующих цементную матрицу, что приводит к снижению прочности раствора. При температуре около 600оС начинается диссоциация самих минералов, составляющих цементную матрицу, на оксиды, что дополнительно разупрочняет цементный камень.
При повышении температуры до 575оС кварц (песок) как в кирпиче, так и в кладочном растворе переходит из а-модификации в Р-модификацию с увеличением объема, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений.
Наряду с этим аморфная часть цементного камня при нагревании претерпевает усадку, в то время как кристаллические новообразования и негидратирован-
jVI ®
декабрь 2015
55
ные зерна цемента — увеличение объема. Наконец, при нагревании возникают напряжения, обусловленные различием в коэффициентах объемного расширения цементной матрицы и заполнителей. Все вышеперечисленные явления разупрочняют кладку.
В этих обстоятельствах все более востребованными становятся эффективные способы защиты конструкций от действия высокой температуры. К ним можно отнести окрашивание интумесцентными красками, из которых формируются покрытия, способные вспучиваться при пожаре и образовывать слой пены толщиной в несколько сантиметров. Данная пена является негорючей и нетеплопроводной, она защищает окрашенную поверхность от нагревания до критической температуры. В настоящее время эти краски стали широко востребованными.
Ахиллесовой пятой интумесцентных красок является то, что иногда образовавшаяся пена не удерживается на вертикальных поверхностях и отслаивается еще до окончания пожара. Исследователи из Санкт-Петербурга под руководством С.С. Мнацаканова предложили [6] вводить в интумесцентную краску базальтовую микрофибру с закрепленными на волокнах наночастицами фуллероидов. Адгезионная прочность пены за счет такого модифицирования интумесцентных красок заметно возрастает. Интересно отметить, что базальтовая микрофибра, вводимая в цементные смеси, повышает тре-щиностойкость цементного камня. Следовательно, введение базальтовой микрофибры будет эффективно и для кладочных растворов.
Такой армирующий материал получил название «модифицированная базальтовая микрофибра» и в настоящее время производится в России. Она представляет собой базальтовые волокна длиной 100—500 мкм, диаметром 8—10 мкм. Содержание наномодификатора, зафиксированного на них, составляет 0,01—0,0001% от массы волокна.
Роль нанотехнологий в современном строительном материаловедении становится все более значимой [7]. Что касается повышения надежности и долговечности кладки из силикатного кирпича, то применение для этой цели нанотехнологий — относительно малозатратный и эффективный способ.
Список литературы
1. Krogstad N.V. Shear keys // Masonry construction. 2007. July—August. P. 32—35.
2. Бессонов И.В., Баранов В.С., Баранов В.В., Князева В.П., Ельчищева Т.Ф. Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 39-43.
3. Погосян В.В. Структурно-механические особенности бетонов на основе цементно-полимерного вяжущего // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 6. С. 54-55.
4. Хаук Х.-Г. Высокоэффективные суперпластификаторы на базе эфиров поликарбоксилатов. Потенциал применения в современных бетонных технологиях // Alitinform. 2010. № 1. С. 78-84.
5. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Соловьев Р.А., Мурзин Н.В., Тараканов Д.В., Лапшин С.С. Математическая модель развития пожара в системе помещений // Вестник МГСУ. 2013. № 4. С. 121-126.
6. Бабкин О.Э., Зыбина О.А., Танклевский Л.Т., Мнацаканов С.С. Диагностика качества нанесения и эффективности коксообразующих огнезащитных покрытий для металлоконструкций // Промышленные покрытия. 2014. № 7-8. С. 50-54.
7. Королев Е.В. Нанотехнологии в строительном материаловедении. Анализ состояния и достижений. Пути развития // Строительные материалы. 2014. № 11. С. 47-79.
References
1. Krogstad N.V. Shear keys. Masonry construction. 2007. July—August, pp. 32-35.
2. Bessonov I.V., Baranov V.S., Baranov V.V., Knyaze-va V.P., El'chishcheva T.F. Causes and Remedies of efflorescence on the brick walls of buildings. Zhilishch-noe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 7, pp. 39—43. (In Russian).
3. Pogosyan V.V. Structural and mechanical characteristics of concrete on the basis of the cement-polymer binder. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2009. No. 6, pp. 54—44. (In Russian).
4. Khauk Kh.-G. High-performance superplasticizers based on polycarboxylate ethers. Potential applications in modern concrete technology. Alitinform. 2010. No. 1, pp. 78—84. (In Russian).
5. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Solov'ev R.A., Murzin N.V., Tarakanov D.V., Lapshin S.S. A mathematical model of development of a fire in the premises. Vestnik MGSU. 2013. No. 4, pp. 121 — 126. (In Russian).
6. Babkin O.E., Zybina O.A., Tanklevskii L.T., Mnatsakanov S.S. Diagnostics application quality and efficiency of gas-flame retardant coatings for steel structures. Promyshlennye pokrytiya. 2014. No. 7—8, pp. 50—54. (In Russian).
7. Korolev E.V. Nanotechnology in construction materials. Analysis of the status and achievements. Ways of Development. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 11, pp. 47—79. (In Russian).
_ЩЩЩОСПШ
Новый завод ССС запускается в Санкт-Петербурге
Строительно-торговый дом «Петрович» открывает в декабре 2015 г. в Санкт-Петербурге собственное производство сухих строительных смесей на цементной основе. В качестве в качестве поставщика оборудования для этих целей выбрана машиностроительная компания «Вселуг».
Завод вертикального типа рассчитан на производительность 50 т/ч модифицированных смесей. По проекту компании «Вселуг» предусматривается пять силосов для хранения: вяжущего, мелкодисперсного наполнителя и песка трех фракций. Приготовление смеси происходит в интенсивном смесителе Торнадо 3000К.
Готовая смесь из смесителя подается на фасовку, которая производится фасовочной машиной Аэропресс 4Ух производительностью до 1000 мешков в час. На заводе установлено две таких машины. Для фасовки продукта используются многослойные бумажные клееные мешки с внутренним самозакрывающимся клапаном. Наполненные мешки укладываются на паллету с дальнейшей упаковкой в пленку «стретч худ».
Введение в действие такого производство позволит строительно-торговому дому «Петрович» расширить ассортимент предлагаемых материалов и оптимизировать поставки ССС при сезонном спросе.
По материалам компании «Вселуг»
