CC BY
27Лесовик В. С., д-р техн. наук, проф., Мосьпан А. В., аспирант, Беленцов Ю. А., д-р техн. наук, проф., Ряпухин Н. В., канд. техн. наук Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
СИЛИКАТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ НА ГРАНУЛИРОВАННЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ ДЛЯ СЕЙСМОСТОЙКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА*
Показано, что использование гранул, полученных на основе природных аморфных кремнеземсо-держащих материалов и гидроксидов щелочных металлов в качестве заполнителей для силикатных бетонов, позволяет получать стеновые материалы пониженной плотности и теплопроводности. Они имеют замкнутую пористость и нечеткую границу раздела между заполнителем и матрицей, могут применяться в сейсмостойком строительстве и позволяют существенно облегчить вес строительных конструкций без снижения их теплоизолирующих и прочностных характеристик. За счет высокой адгезии к кладочным растворам рекомендуется их использование для сейсмостойкого строительства.
Ключевые слова: силикатный материал, активный гранулированный заполнитель, теплопроводность, стеновой материал, сейсмостойкое строительство._
Известно, что кладка стен из каменных материалов и кирпича не обладает достаточным запасом прочности и несущей способностью, поскольку является хрупким материалом, не способным к развитию пластических деформаций; силикатный кирпич имеет слабую адгезию к кладочным растворам. Поэтому даже незначительные перегрузки, а этот фактор типичен при любом землетрясении, весьма опасны для кладки стен из штучных материалов. При этом, если для стен зданий, возводимых в обычных регионах РФ, имеются отдельные рекомендации и нормативы по их проектированию [1, 2], то в действующем СНиП [3] конструкции стен для сейсмоопасных регионов РФ из штучных материалов не рассматриваются.
В условиях современного градостроительства особые требования предъявляются не только к прочностным показателям и архитектурно-декоративному внешнему облику зданий и сооружений, но и их функциональным характеристикам. При этом особое внимание уделяется теплозвукоизоляционным материалам, используемым для создания внешних ограждающих стеновых конструкций, особенно для жилых и общественных зданий, где значительная часть всего веса здания приходится на долю этих конструкций. Поэтому в сейсмически опасных районах, при проектировании зданий и сооружений с одной стороны необходимо максимально снизить вес ограждающих конструкций, а с другой, снижение веса не должно способствовать ухудшению таких важных характеристик, как сейсмостойкость зданий и сооружений.
Всесторонний анализ энергозатрат, экологических и потребительских факторов при производстве и эксплуатации стеновых материалов показывает привлекательность бесцементных силикатных строительных материалов автоклав-
ного твердения на основе известково-песчаного вяжущего и кварцевого заполнителя. Силикатные строительные изделия не требуют высоких энергозатрат при получении по сравнению со строительными материалами на основе цемента, их недостатком является относительно высокая теплопроводность: при плотности 1930 кг/м3, теплопроводность составляет 0,85-0,87 Вт/(мК). Однако вопросам разработки недорогих искусственных заполнителей, способных существенно снизить теплопроводность силикатных материалов уделяется недостаточно внимания.
Нами предлагаются силикатные строительные материалы, включающие активные гранулированные безобжиговые заполнители (АГЗ). АГЗ вводились в состав песчано-известковых сырьевых смесей перед прессованием силикатного кирпича [4-8]. АГЗ состоят из природного сырья, содержащего аморфный кремнезем (опока, перлит, трепел и др.) и щелочь в соотношении 5 к 1, т.е. ядра гранул имеют силикатный модуль равный 5. Защитная оболочка вокруг ядра гранулы, состоящая из молотой извести и кремнефтористого натрия, не позволяет водорастворимому гидроксиду щелочного металла выйти из гранулы при приготовлении силикатной смеси и формовании изделий. Кремнефто-ристый натрий обеспечивает достаточную водостойкость АГЗ.
Анализируя свойства полученных силикатных материалов (табл. 1), следует отметить их низкую теплопроводность и относительно высокие значения прочности при изгибе. Силикаты натрия, выделяющиеся при автоклавной обработке из АГЗ, пропитывают матрицу, связывают портландит, залечивают микродефекты и неорганизованные поры силикатного материала, вдвое повышают значения коэффициента конструктивного качества полученных строитель-
ных изделий. Отсутствие свободного портлан- этому параметру наш силикатный материал со-дита благоприятно сказывается на повышении ставит достойную конкуренцию керамическому
водостойкости полученных изделий (табл. 1), кирпичу. которая превышает значение 0,8, поэтому по
Таблица 1
№ Мас. % гранулированного Удельная поверхность порошкового материала ядра перед грануляцией, м2/кг Теплопроводность, Вт/(м-К) Водостойкость, относительная потеря Предел прочности Прочность при изгибе, МПа Общая пористость, % Водопогло- Средняя плот-
смеси заполнителя на основе: прочности после 25 циклов за- при сжатии, МПа щение, % ность, кг/м3
мачивания
1 0 - 0,76 0,74 28,4 3,86 27,2 21,3 1880
2 15, трепел 250 0,66 0,77 28,3 4,32 38,8 18,8 1705
3 25, трепел 300 0,52 0,81 24,8 5,21 50,8 14,3 1460
4 25, опока 300 0,53 0,80 24,6 5,28 50,4 14,7 1475
5 40, трепел 250 0,23 0,88 22,5 4,31 57,7 11,2 1010
6 40, природный перлит 250 0,25 0,85 21,9 4,81 57,2 10,8 910
7 45, вспученный перлит 250 0,24 0,86 22,1 4,11 59,8 9,1 885
Способность гранул выделять водорастворимые активные соединения, проникающие в силикатную матрицу, оценивалась по потере массы гранул до и после автоклавной обработки.
Полученные гранулы вводились в силикатную смесь в различном процентном соотношении, затем формовались образцы методом прессования, которые помещались в автоклав и выдерживались при давлении водяного пара 1 МПа и температуре 178 °С в течение 8 часов. Оценивалась возможность уменьшения продолжительности изотермической выдержки при авто-
клавной обработке силикатных изделий с активными гранулированными заполнителями.
При автоклавной обработке силикатных изделий аморфный кремнезем реагирует со щелочью с образованием водорастворимых силикатов, которые переходят в матрицу, обогащая ее активными компонентами, существенно ускоряя процессы минералообразования. На месте АГЗ остается водонепроницаемая пора с незначительным количеством непрореагировавшего материала (рис. 1).
II фЬ
1 мм
Рис. 1. Микрофотографии контактного слоя активных гранул на основе опоки (а) и перлита (б) с силикатной матрицей: 1 - поровое пространство, 2 - остатки порообразующего состава гранул, 3 - переходный слой гранулы и силикатной матрицы, 4 - силикатная матрица. Съемка образцов производилась на поляризационном микроскопе ПОЛАМ Р-312
Силикатный материал с АГЗ имеет боль-
шую прочность сцепления с цементным кладочным раствором, т.к. прореагировавшие гранулы делают поверхность силикатного материала более шероховатой со сферическими кавернами, что облегчает и процесс штукатурки стен. За счет насыщения силикатной матрицы гидросиликатами натрия, происходят дальнейшие преобразования минеральной структуры полученного строительного материала в процессе экс-
плуатации в сторону упрочнения: приведенные в таблице значения по прочности увеличиваются на 10-15%.
Исследование кинетики взаимодействия материалов ядра гранул АГЗ разного состава в процессе автоклавной обработки образцов стеновых изделий при изотермической выдержке при давлении 1 МПа и температуре 178 °С показывает, что предварительная механоактивация материала ядра гранул эффективна при исполь-
зовании только кристаллических компонентов -песка, при использовании же аморфных кремнеземов - перлита, опоки, трепела и др. механоак-тивация не приносит существенного ускорения процессов образования гидросиликатов натрия и зависит в основном от дисперсности частиц аморфного кремнезема. Следует отметить, что резкое ускорение процесса растворения кремнезема отмечается лишь в первые два часа авто-клавирования, при этом реакция идет за счет наличия частиц с поврежденной кристаллической структурой, что подтверждают кривые РФА, либо при наличии особо тонкодисперсных частиц. С течением времени характер взаимодействия кремнезема со щелочными гидрокси-дами приобретает монотонно-замедленный характер.
При введении АГЗ, в силикатном материале формируется организованная пористость, поры играют роль демпферов: они не дают развиваться продольным и поперечным трещинам, способствуют получению более монолитной матрицы.
Таким образом введение в состав известко-во-кремнеземистого вяжущего активных гранулированных заполнителей позволит не только управлять процессеми структурообразования на макро-, микро- и наноуровне, но и получить уникальные свойства материала модифицирующего природный процесс генезисы известняка-ракушечника. Результатом этого воздействия является синтез нано- и микроразмерных гид-ратных новообразований толщиной несколько микрон, что позволяет существенно повысить деформативные характеристики, влаго- и морозостойкость, снизить теплопроводность силикатного материала.
В целом же средняя плотность материала снижается и может достигнуть величины 650 кг/м3. Сочетание величины средней плотности материала ниже 1000 кг/м3 и наличие замкнутой, водонепроницаемой пористости позволило получить силикатный материал с пониженной в три раза, по сравнению с традиционным силикатным кирпичом, теплопроводностью.
Строительное материаловедение, а также геоника, большое внимание уделяют созданию новых высокопрочных, умных материалов [911]. У них должна быть упорядоченная регулируемая структура, формируемые новообразования обладают высокой прочностью и низкой теплопроводностью, обладать способностью самозалечивать дефекты структуры и ликвидировать разупрочняющую пористость. Этими свойствами обладают полученные нами силикатные изделия строительного назначения на
стадии их изготовления и автоклавной обработки.
Введение растворяющихся при автоклавной обработке гранул (АГЗ) в силикатный материал позволяет получать изделия с более развитой поверхностью контакта с кладочными растворами. Образующиеся каверны на месте расположения гранул, при заполнении их раствором, существенно повышают прочность кладки в целом и меняют характер разрушения поверхностной зоны (рис. 2).
Рис 2. Характер разрушения силикатных материалов с АГЗ на кладочных растворах традиционных составов
Упрочнение кладочных растворов путем использования более прочных вяжущих (например ТМЦ-50), полипропиленовой фибры, добавок глинистых пород определенного генезиса и состава позволяет увеличить прочность кирпичной кладки на срез в 25-30 раз. Экспериментально доказано, что при приложении внешней нагрузки данная кладка в этом случае разрушается не по поверхности контакта раствора с кир-пичем, а по самому силикатному материалу (рис. 3). Повышенная монолитность каменной кладки существенно повышает сейсмическую стойкость сооружений [121.
Рис. 3. Характер разрушения силикатных материалов с АГЗ на упрочненных кладочных растворах
Качество раствора закладывается при подборе состава, а его пригодность для возведения кладки оценивается по параметрам прочности на сжатие (до 20-30 МПа), морозостойкости (до 300 циклов) и подвижности (9-13 см), а так же вели-
чиной сцепления при отрыве стеновых материалов из кладки, что влияет на работу конструкции при растяжении, изгибе по перевязанным и неперевязанным швам. В реальности совместная работа структурных элементов приводит к необходимости учитывать более широкий спектр свойств кладочных растворов. Структура кладки окончательно формируется непосредственно на строительной площадке при твердении вяжущего. При подборе состава раствора основной задачей является выбор вида вяжущего и заполнителя, состава раствора, водоцементного отношения и использование добавок различного вида.
Структура раствора формируется взаимодействием трех основных элементов [10]:
- матрицей, формируемой цементным камнем, которая связывает каркас заполнителя, обеспечивая монолитность и целостность раствора после твердения;
- заполнителем, формирующим каркас и обеспечивающим равномерное распределение цементного камня в объеме;
- контактной зоной цементного камня и стеновых материалов.
Совершенствование структуры раствора и формируемой зоны контакта возможно за счет влияния на основные структурные элементы.
Таким образом, предлагаемые технологии получения силикатных материалов с развитой поверхностью контакта с растворами, в сочетании с улучшеным составом самих кладочных растворов позволяет увеличить прочность кладки в 8-10 раз. Данная система рекомендована для использования в сейсмостойком строительстве, в том числе, в условиях Крайнего Севера.
Новизна решений по формированию систем закрытой пористости в силикатных бесцементных материалах автоклавного твердения отмечена 5 патентами РФ.
*Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рекомендации по применению стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. Москва, 1992.
2. СНиП РК 5.02-02-2010. Каменные и армокаменные конструкции.
3. СНиП РК 2.03-30-2006. Строительство в сейсмических районах.
4. Пат. № 2361838 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный композиционный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе кварцевого песка, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Воронцов В.М.;
заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. -№ 2007142320/03; заявл. 15.11.2007г.; опубл. 20.07.2009г., Бюл. № 20. - 10 с.
5. Пат. № 2361839 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе кремнистых цеолитовых пород, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Воронцов В.М., Лесовик Р.В.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. -№ 2007142318/03; заявл. 15.11.2007г.; опубл. 20.07.2009г., Бюл. № 20. - 10 с.
6. Пат. № 2365555 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный композиционный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе трепела, диатомита и опоки, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Воронцов В.М., Лесовик Р.В., Ходыкин Е.И.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. -№ 2007142319/03; заявл. 15.11.2007г.; опубл. 27.08.2009г., Бюл. № 24. -12 с.
7. Пат. № 2365556 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный композиционный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе перлита, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Гридчин А.М., Строкова В.В., Лесовик Р.В., Мосьпан А.В., Воронцов В.М.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. -№ 2007142316/03; опубл. 27.08.2009г., Бюл. № 24. - 7 с.
8. Пат. № 2433976 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Способ изготовления гранулированного заполнителя для силикатных изделий автоклавного твердения / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Лесовик Р.В., Воронцов В.М.; Заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова.
9. Лесовик, В. С. Геоника. Предмет и задачи / В.С. Лесовик // - Белгород. Изд-во БГТУ им. Шухова В.Г. - 2012. - 213с.
10. Гридчин, АМ. Строительные материалы для эксплуатации в экстремальных условиях / А.М. Гридчин, Ю.М. Баженов, В.С. Лесовик и др.// - Белгород. Изд-во БГТУ им. Шухова, -2008. - 595с.
11. Лесовик, В.С. Геоника / В.С. Лесовик // - Новосибирск - 1994. - 210с.
12. СНиП РК 2.03-30-2006 - Строительство в сейсмических районах.
