CC BY
84
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АРХИТЕКТУРНОЙ ГЕОНИКИ
Дегтев Юрий Васильевич
аспирант, кафедра Строительного материаловедения, изделий и конструкций, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
РФ, г. Белгород E-mail: degtev-yuriy@mail. ru Фролова Мария Аркадьевна канд. техн. наук, доцент Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова, РФ, г. Архангельск Левченко Анастасия Анатольевна аспирант, кафедра Строительного материаловедения, изделий и конструкций, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
РФ, г. Белгород Попов Максим Александрович аспирант, кафедра Строительного материаловедения, изделий и конструкций, Белгородский государственный технологический университет им. В .Г. Шухова,
РФ, г. Белгород
BUILDING MATERIALS FOR ARCHITECTURAL GEONIC
Yuri Degtev
graduate student, Belgorod Shukhov State Technological University, Russia,
Belgorod Maria Frolova
candidate of technical Sciences, associate Professor Northern (Arctic) Federal University the name of M. of Century Lomonosov, Russia, Arkhangelsk
Anastasiya Levchenko
graduate student, Belgorod Shukhov State Technological University, Belgorod
Maxim Popov
graduate student, Belgorod Shukhov State Technological University, Russia,
Belgorod
АННОТАЦИЯ
Среда, организованная архитектурой, ненавязчиво, но постоянно воздействует на эмоции, сознание и поведение человека. Одним из перспективных направлений разнообразия городской архитектуры является архитектурная геоника, которая в настоящее время очень актуально для получения малых архитектурных форм.
ABSTRACT
Wednesday, organized architecture, unobtrusively, but constantly acts on the emotions, consciousness and human behavior. One of perspective directions the diversity of urban architecture is the architectural geonika, which at present time very actualfor of obtaining the small architectural forms.
Ключевые слова: архитектурная геоника; малые архитектурные формы; «Человек-материал-среда обитания»; комфортность жизни.
Keywords: architectural geonik; small architectural forms; "the Person-material-Wednesday of habitation"; comfort of life.
Критическое состояние в развитии многих стран, спад технико -экономических показателей, социальные проблемы граждан, различные аномалии и природные катаклизмы приводят к неблагополучному, пессимистическому настроению общества в целом, что негативно сказывается на дальнейшем развитии нашего человечества.
В настоящее время тема повышения комфортности среды жизнедеятельности человека становится все более актуальной не только в рамках определенного города, но и в масштабе всей нашей планеты [1—2]. Интенсивный рост городов и увеличение застроенных территорий в пределах городских агломераций, сопровождаемые изменением среды обитания в крупных и больших городах, осложняют проблему контакта человека с природой, что вызывает в свою очередь смену ориентации досуга, в том числе в усилении роли природных факторов.
Для достижения стилевого единства между архитектурой и дизайном, а также стремление отойти от эстетического однообразия крупнопанельных зданий и типовых макрорайонов, потребуется большое количество малых архитектурных форм на основе современных строительных материалов, которые приводят окружающее пространство к нужной стилистике и настроению.
Одним из перспективных направлений разнообразия городской архитектуры является архитектурная геоника, которая в настоящее время очень актуально для получения МАФ из различных высокотехнологичных материалов [3].
Геоника — новое направление исследований, цель которой емко определил доктор химических наук Евстратов А.А. Высшей национальной школы горных инженеров из города Алес (Франция) в своем отзыве о монографии В.С. Лесовика «Геоника. Предмет и задачи», создание инструментария управления системой «человек-материал-среда обитания» на базе представлений о материалах как эволюционирующих объектах, проходящих подобно живым системам, циклы существования — от образования до исчезновения.
В системе «человек-материал-среда обитания» три звена и изучением каждого из параметров бессистемно, невзаимосвязано, занимаются кристаллография, минералогия, петрология и другие науки геологического цикла; целая гамма направлений строительного материаловедения, медицины и т. д. Геоника предполагает заниматься не по отдельности с каждым из трех звеньев, а рассматривать систему как единое целое, как отдельную науку [4, 5].
В отличие от бионики, идея которой заключается в применение знаний о живой природе для решения инженерных задач, цель геоники — разработка общих принципов управления развитием объектов неорганического мира. Реализация нового научного направления позволит не только расширить сырьевую базу и разработать новые технологии производства материалов, но и улучшить комфортность пребывания человека.
Можно сказать, что возникновение геоники как науки, в настоящие время, закономерный процесс. Под геоникой можно понимать подход к созданию материалов, композитов, при котором идея и основные элементы заимствуются при изучении геологических процессов, минералов и горных пород.
Исходя из разработанной концепции, предложена генетическая классификация горных пород как сырья для производства строительных материалов в зависимости от свободной внутренней энергии [6].
Свободная внутренняя энергия определяется дефектностью кристаллической решетки, включением минералообразующей среды, газовоздушной фазы и т. д., которые образовались в горной породе миллионы, сотни миллионов, а иногда даже миллиарды лет назад. И использование этой «законсервированной» энергии позволяет снизить энергоемкость производства строительных материалов.
Архитектурная геоника включает в себя создание архитектурных ансамблей с учетом габитуса кристаллов и строения кристаллической решетки минералов (рисунок 1).
Рисунок 1. Архитектура на основе кристаллических решеток минералов
Главная цель архитектурной геоники — это комплексное сочетание морфологичеаских особенностей, строения, свойств природного камня и архитектурного сооружения любого назначения. Геоника может использовать результаты исследования геологических процессов для разработки технологий производства материалов.
Строительные материалы — это определенный этап эволюции неорганического мира, а критерием выбора сырья для их производства является
общность преобразований при генезисе и техногенезе и связанное с ним энергетическое состояние горных пород или отходов промышленности [7—8].
Социальная значимость городских парков и города в целом определяется размерам территории и неповторимостью художественно -организованной повседневно-доступной природной среды, включающая в себя ряд малых архитектурных форм (МАФ), которые усиливают благоприятный эффект от всех форм отдыха. Разработан широкий спектр малых архитектурных форм различного архитектурного дизайна и назначения. Основным материалом для производства малых архитектурных форм является бетон. Основными требованиями к бетонным смесям для изготовления декоративных изделий — малых архитектурных форм являются: способность к самоуплотнению форм сложно конфигурации; низкая расслаиваемость. Бетон для МАФ должен обладать высокой атмосферо- и морозостойкостью; возможностью придания необходимого цвета. Особенностью МАФ является сравнительно небольшой объём производства, несравнимый с потреблением бетона и ЖБИ в жилищном строительстве. В связи с этим приемлемым с экономической точки зрения, и прогрессивным с технической, является создание гаммы специальных композиционных вяжущих, учитывающих особенности каждого из видов декоративных изделий.
Одним из путей достижения требуемого результата является оптимизация состава бетонной смеси с применением необходимых функциональных химических и минеральных добавок. Данный путь — целенаправленное создание материала под конкретную задачу, хорошо согласуется с перспективным направлением развития строительной науки геоникой-геомиметикой, предлагающей любой вопрос создания новых материалов рассматривать сквозь призму системы «человек-материал-среда обитания». При этом традиционные строительные материалы, в частности портландцемент, подвергаются глубокой переработке, придающий им новые свойства, более полно раскрывается их
потенциал, снижается их расход [9—11]. Перспективным материалом при создании МАФ является применение мелкозернистого бетона. Этот вид позволяет получать высококачественную структуру материала, отличается высокой технологичностью, позволяя сравнительно просто изготавливать изделия как методом прессования с немедленной распалубкой, так и методом литья, что особенно удобно для монолитного домостроения, и, кроме того, он легко и эффективно модифицируется с помощью органо -минеральных модификаторов, обеспечивая получение материалов с различным использованием дешевых местных песков, что позволяет снизить стоимость бетона на 15—20 % по сравнению с крупнозернистыми бетонами на щебне [12—13].
В настоящее время происходит интенсивное строительство, что приводит к необходимости использования бетонов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, такими как прочность на сжатие и растяжение, износостойкость, коррозионная стойкость, трещиностойкость, морозостойкость и т. д. Для разрешения этой проблемы были разработаны составы мелкозернистого сталефибробетона на основе техногенного песка, композиционных вяжущих, микродисперсной добавки и гиперпластификатора.
Современной технологией, позволяющей качественно изменять свойства бетонных материалов, является дисперсное армирование волокнами, т. е. введение в бетонную смесь волокон из различных материалов: фибр металлических (проволочных, полученных из расплава или рубленных из листа и др.); базальтовых; стеклянных; биологических; тканевых; композитных; пластиковых.
Основной задачей при получении мелкозернистых бетонов, в том числе дисперсно-армированных является снижение расхода клинкерной составляющей. Наиболее существенными факторами снижения содержания цемента в мелкозернистых бетонах являются уменьшение водопотребности бетонной смеси и повышение активности вяжущего. В качестве композиционного вяжущего применяется ТМЦ-70 и ВНВ- 70 (таблица 1).
Таблица 1.
Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона,
армированного стальной фиброй
Расход материалов, кг/.к3 Л £ \ 1 В & ¿3
Вид вяжущего и <и 1 я Отсев дробления квп >2 И и * я о В и 5 с я я я с* о я ¡5 а о 5 О £ О. ю К 2 2 -в-й н и 5 о в о СХ я с — § 3 Я о И = ю 3? Призменная прочное МПа РЧ 1—1 Я и а ю я к м ¡2 г о к О О, X с 5 Ё а. Е 3 Й о и г> а. я л в г; е? о 2
Цем I 42.5Н 510 1180 555 170 - 50.2 35.0 13,7 35,8-10*
Цем I 42.5Н *ВПУ 510 1185 555 172 56.5 38.7 14.2 40,8-103
Цем I 42.5Н 510 1180 555 172 72 57.4 39.9 16.8 41,7-10*
Цем I 42.?Н *ВПУ 510 1185 555 174 72 65.2 44.9 17.6 42,2-103
ТМЦ-70 510 1180 555 160 72 63.4 44.6 17.4 41,9-10*
ТМЦ-70 *ВПУ 510 1185 555 162 72 69.7 48.6 18.2 43.1-103
ВНВ-70 510 1180 555 150 72 76.2 53.2 19.1 43.6-103
ВНВ-70 *ВПУ 510 1185 555 152 72 84.8 59.3 19.8 44.3-103
*ВПУ— высокоплотная упаковка зерен мелкозернистого сталефибробетона
Разработанный алгоритм расчета многофункциональной системы «клинкер-наполнитель-заполнитель-органическая добавка-вода» позволила варьировать параметрами бетонной смеси с целью повышения эксплуатационных характеристик композита.
Эффект от применения высокоплотной упаковки зерен техногенного заполнителя, достигается за счет более компактного расположения всех компонентов, включая стальную фибру, и оказывает на бетонную смесь комплексное воздействие. Так, кроме контактов «цементное тесто -заполнитель», появляются контакты «фибра-вяжущее», прочность которых в значительной степени зависит от физико-химического взаимодействия минералов, входящих в состав заполнителей и частиц вяжущего.
Применение же композиционных вяжущих, таких как ТМЦ-70 и ВНВ-70, позволяет, в свою очередь, повысить характеристики бетона по сравнению с аналогичными составами на основе цемента, что объясняется более плотной структурой цементного камня самих композиционных вяжущих, и следовательно, бетонов на их основе, а также меньшей пористостью.
Таким образом, высокоплотная упаковка компонентов смеси на основе композиционных вяжущих оказывает направленное воздействие на структурообразование сталефибробетона, позволяя повысить прочностные и деформативные характеристики изгибаемых элементов. Рациональный подбор заполнителя дал возможность получить на техногенных песках КМА сталефибробетон с пределом прочности при сжатии — 84,8 МПа.
Самоуплотняющийся бетон — это бетон, который без воздействия на него дополнительной внешней уплотняющей энергии самостоятельно под воздействием собственной массы течёт, освобождается от содержащегося в нём воздуха и полностью заполняет пространство между арматурными стержнями и опалубкой. Бетонная смесь для изготовления МАФ должна обладать специфическим набором свойств, которые можно обеспечить за счёт ряда мероприятий, или использования специально изготовленного композиционного вяжущего обеспечивающего их достижение.
Важным элементом обеспечения возможности получения самоуплотняющихся бетонов для изготовления МАФ является оптимизация зернового состава вяжущего, заключающаяся в нормированном увеличении доли частиц размерами менее 16 мкм.
Введение микродисперснойкремнеземосодержащей добавки способствовало оптимизации процессов структурообразования за счет при гидротации CaO и образовании гидросиликатов кальция второй генерации, эффект заполнения пор, который способствует значительному уменьшению капиллярной пористости, проницаемости и долговечности бетона для малых архитектурных форм.
В своём большинстве свойства самоуплотняющегося бетона во многом совпадают со свойствами обычного бетона.
Значительно более высокий уплотняющий эффект в структуре бетона достигается при применении ультрадисперсного микрокремнезема (кремнеземистой пыли). Микрокремнезем представляет собой побочный продукт при выплавке ферросилиция и его сплавов в виде ультрадисперсных шарообразных частиц с высоким содержанием аморфного кремнезема, который образуется в результате восстановления углеродом кварца высокой чистоты в электропечах и улавливается рукавными фильтрами при очистке отходящих газов.
Получение самоуплотняющихся бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками возможно при использовании в их составах комплексных органо-минеральных модификаторов, включающих несколько минеральных компонентов и эффективных суперпластификаторов, обеспечивающих синэнергетический эффект. Бетоны для МАФ по прочности должны соответствовать сравнительно невысоким классам В20-В30, а необходимость обеспечения высокой подвижности бетонной смеси предполагает повышенный расход вяжущего. Поэтому рациональным является снижение содержания клинкерной части в составе композиционного вяжущего, за счёт введения различных минеральных добавок.
Получение КВ за счёт помола, а не просто смешивания, в большинстве случаев позволяет использовать минеральные добавки в естественном состоянии, без необходимости их отдельного измельчения, а также полностью снимает вопросы обеспечения однородности конечного продукта. Это особенно важно при применении в качестве минеральных добавок мягких, в частности карбонатных, горных пород, отдельный помол которых сопряжен с рядом трудностей, и всех тонкодисперсных материалов склонных к грануляции.
Использование в составе КВ таких минеральных добавок как отсевы дробления КВП и мел, позволяют улучшить реологические характеристики паст
на основе указанных вяжущих, снизив (в сочетании с суперпластификатором) вязкость в момент начала течения, динамическую вязкость в широком диапазоне изменения градиента скорости сдвига, склонность смесей к структурированию, что важно при получении самоуплотняющихся бетонных смесей. Наличие минеральных добавок в составе композиционного вяжущего при их правильном подборе и обработке, позволяет снизить его водопотребность и повысить плотность камня на его основе, снизить вязкость раствора.
Правильный выбор минеральной добавки, с учётом её генезиса и активности, позволит снизить энергозатраты на том или ином этапе изготовления изделия, а так же может стать мощным инструментом для управления свойствами КВ.
Список литературы:
1. Вешнякова Л.А., Фролова М.А., Айзенштадт А.М., Лесовик В.С., Михайлова О.Н., Махова Т.А. Оценка энергетического состояния сырья для получения строительных материалов // Строительные материалы. — 2012. — № 10. — С. 53—55.
2. Лесовик В.С. Геоника (Геомиметика) как трансдисциплинарное направление исследований // Высшее образование в России. — 2014. — № 3. — С. 77—83.
3. Лесовик В.С. Архитектурная геоника // Жилищное строительство. — 2013. — № 1. — С. 9—12.
4. Лесовик В.С. Геоника. Предмет и задачи: Монография. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012 — 213 с.
5. Лесовик В.С. Архитектурная геоника. Взгляд в будущее // Вестник Волгоградского государственного архитектурно -строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. — 2013. — № 31-1 (50). — С. 131—136.
6. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Монография: Научное издание. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. — 526 с.
7. Лесовик В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 1994. — № 7. — С. 96.
8. Лесовик В.С., Беленцов Ю.А., Куприна А.А. Использование положений геоники при проектировании конструкций для работы в условиях динамических и сейсмических нагрузок // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2013. — № 2—3 (650—651). — С. 121—126.
9. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природного перлита в составе смешанных цементов // Строительные материалы. — 2009. — № 6. — С. 84—87.
10. Лесовик В.С., Сапронова Ж.А., Фетисов Р.О., Ипанов Д.Ю. Использование принципов геоники в практике водоотчистки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2012. — Т. 14. — № 5-3. — С. 782—787.
11. Фролова М.А., Лесовик В.С. «Зеленые» строительные композиты для архитектурной геоники Северо-Арктического региона // Научные и инженерные проблемы строительно-технологической утилизации техногенных отходов. 2014. — С. 29—33.
12. Lesovik V.S. Geonics. Subject and objectives: Уч. пособие. Белгород: Из-во БГТУ,2012. — 100 с.
13. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H., Andrey V.S., Denis A.B., Anna A.K. Greating effective insulation solutions? Taking into account the law of affinity structures in construction materials //World Applied Sciences Journal. — 2013. — Т. 24. — № 11. — С. 1496—1502.
